Роль дислокацій при визначенні міцності кристалів

Розглянемо як дефекти кристала впливають на його міцність. Міцність кристала можна розрахувати як силу, необхідну для того, щоб відірвати атоми один від одного, переборовши сили міжатомного зчеплення, тобто ідеальна міцність кристала повинна визначатися добутком величини сил міжатомного зв'язку на кількість атомів, що доводяться на одиницю площі відповідного перетину кристала. Міцність на реальних кристалах на зрушення звичайно на три-чотири порядків нижче розрахункової ідеальної міцності. Це можна пояснити зменшенням робочої площі поперечного перерізу зразку за рахунок пор, раковин і мікротріщин. З іншого боку, міцність монокристалічних зразків, у повному обсязі яких зберігається приблизно єдина орієнтація кристалоподібних осей, значно нижче міцності полікристалічного матеріалу. Відомо також, що в ряді випадків кристали з більшим числом дефектів мають більш високу міцність, ніж кристали з невеликою кількістю дефектів. Сталь, наприклад, являє собою залізо з домішкою вуглецю й іншими присадками, володіє значно більш високими механічними властивостями, ніж чисте залізо.

Розібратися у двоякому впливі дефектів кристалічної решітки на міцність кристала дозволила дислокаційна теорія пластичної деформації. По цій теорії процес ковзання атомних шарів кристала при пластичній деформації відбувається не по всій площині перетину кристала, а починається на дислокації. Уже при невеликій напрузі дислокації починають переміщатися й виходять на поверхню кристала, якщо не зустрічають перешкод на шляху. Вихід крайової дислокації на поверхню кристала еквівалентний зрушенню частини кристала на величину, рівну періоду решітки. Якби в кристалі було невелике число дислокацій, то в цьому випадку початкова міцність кристала виявилася б у багато разів нижче його ідеальної міцності. Зате після виходу дислокацій на поверхню кристала він позбувся б дислокацій і став би ідеально міцним.

Але в реальних кристалах така ситуація не спостерігається, тому що щільність дислокацій і інших дефектів досить велика й імовірність безперешкодного виходу дислокації на поверхню кристала мала. Істотну роль грає фактор розмноження дислокацій на перешкодах, що призведе до подальшого зниження міцності. Однак зменшення міцності кристала або збільшення концентрації дефектів має місце до певної межі. Дефекти решітки заважають руху дислокацій, а це вже є зміцнюючим фактором. У практиці створення найбільш міцних матеріалів металознавці йдуть не по шляху одержання бездефектних кристалів, а по шляху створення однорідних матеріалів з оптимальною щільністю дислокацій і інших дефектів. Це досягається комбінацією таких технологічних операцій, як легування (введення невеликої кількості домішок, які сильно взаємодіють із дислокаціями й сповільнюють їхній рух), загартування (створюється дрібнозерниста структура, границі зерен дуже важкими для руху дислокації), наклеп (прокатка, волочіння, розтягання, що викликає підвищену кількість дислокацій при деформації; дислокації практично переплітаються, їхній рух утрудняється, міцність метала зростає). Найбільше зміцнення металу виходить при щільності дислокації порядку 10¹² – 10¹³ см². Подальше підвищення щільності дислокацій викликає різке зменшення міцності металу. Це можна пояснити як втрату стійкості решітки через внесення в неї занадто великої кількості енергії, пов'язаної з дислокаціями.

Дифузія в металах і сплавах. Дифузія - це переміщення атомів, обумовлене їхнім тепловим рухом у рідкій або у твердій фазі, на відстань що більше периметра решітки. Якщо система складається з різнорідних атомів, що характерно для сплавів, то має місце гетеродифузія.

D=D₀exp(-Q/кТ)

D₀ – передекспоненціальний множник, значення якого визначається типом кристалічної решітки металу;

к- стала Больцмана.

Q - енергія активації процесу, тобто енергія необхідна для того, щоб здійснити перехід з одного положення в сусіднє. Внаслідок флуктуації тепло- вих коливань відділені атоми або іони можуть зриватися зі своїх місць, у вузлах кристалічної решітки переходити в простір між вузлами й переміщатися усе- редині кристала. Такий процес «подорожі» власних атомів по кристалу навідміну від дифузії, де переміщаються атоми домішок, називається самоди- фузією. Процеси самодифузії експериментально виявлені й достатньо досліджені із застосуванням радіоактивних ізотопів. Можливо три механізми дифузії у твердому тілі:

1. переміщення вакансій;

2. рух атомів впровадження;

3. взаємний обмін місцями між атомами.

Уже сама назва перших двох механізмів говорить про те, що вони пов'язані з атомними дефектами решітки й неможливі в ідеальному кристалі. Третій механізм дифузії можливий і в бездефектному кристалі, але з енергетичної сторони він менш імовірний, тому що пов'язаний з одночасним переміщенням двох або більше атомів. У більшості випадків у кристалі переважає дифузія за рахунок вакансій. Виключення із цього правила становить група сплавів, назив. твердими розчинами впровадження. У таких сплавах переважає другий механізм.

Дислокації, що рухаються під впливом механічних напруг, можуть накопичуватися на границі блоків або зерен і створювати місцеві концентрації напруг, достатні для утворення мікротріщин. Швидкість дифузії по мікротрі- щинах значно вище, ніж між вузлами, й більша ніж по вакансіях метала.

Процес дифузії є визначальним у швидкості протікання хімічних реакцій у твердому тілі, він також «відповідальний» за іонну провідність кристала.

Гвинтові дислокації відіграють важливу роль при рості кристалів.

Дата добавления: 2014-10-17