Механічні властивості кристалів

Густина

КРИСТАЛОФІЗИКА

Фізичні властивості кристалів визначаються як природою хімічних елементів, які входять до їх складу, взаємним розташуванням та типом кристалохімічного зв`язку, так і наявністю недосконалості структури. Характерною особливістю властивостей кристалів є їх анізотропія та симетрія.

Найбільш суттєві фізичні властивості кристалів за своєю природою векторні. Векторні властивості можливо поділити за групами на: механічні (пружність, пластичність, спайність, твердість), теплові (теплопровідність та теплове розширення), оптичні, магнітні та електричні властивості. Скалярними є дуже небагато фізичних властивостей кристалів: щільність, питома теплоємкість, температури фазових переходів.

Розглянемо деякі фізичні властивості кристалів.

Це одна із основних характеристик кристалів, яка залежить від їх хімічного складу, коефіцієнта пакування, атомної маси, валентностей та іонних (атомних) радіусів матеріальних частинок. Реальна густина кристалів зазвичай нижча за обчислену густину ідеального кристала. Ця різниця обумовлена присутністю в реальних кристалах дефектів структури. Тому реальна густина кристалів може бути чуттєвим індикатором ступеня дефектності структури.

Деформація та зруйнування кристалів під дією прикладених сил – це основні явища, які визначають їх механічні властивості. Оскільки деформація тіла під дію прикладених до нього сил суттєво залежить від його розміру та форми, то поведінку кристала зручно описувати за допомогою напруги у (сили , віднесеної до одиниці площини ) і деформації(зсуву , віднесеного до одиниці довжини ). Зв`язок між деформацією та прикладеною напругою наведений на графіку (кривій розтягнення) (рис.4.1).

При достатньо низьких значеннях прикладеної напруги спостерігається пружна деформація, яка підкорюється закону Гука: після зняття навантаження відновлюється його початкова форма. Пружна деформація не перевищує десятих часток відсотка; лише у нитковидних та бездислокаційних кристалах вона може досягати 3-4%. Та гранична напруга, до якої виконується закон Гука, називається межею пружності. При більш вищих напруженнях виникає залишкова (пластична) деформація , яка не зникає після зняття прикладеного напруження. Напруження, при якому починається помітна течія тіла, називається границею текучості . Області і – відповідно областями пружної і пластичної деформацій.

Рис.4.1. Крива розтягнення кристалів ε

При подальшому безперервному підвищенні зовнішнього навантаження відбувається зруйнування кристала при характерному для нього значенні напруження, так званої межі міцності Величина пластичноїдеформації може складати від декількох одиниць до сотень відсотків. Кристали, у яких до зруйнування спостерігається лише малі деформації, називаються крихкими.

Таким чином, крива розтягування у координатах характеризує міцність, крихкість та пластичність, які є механічними характеристиками кристала. Ці властивості визначаються не тільки природою кристала, але й залежать від температури, швидкості і типу деформації, наявності домішок у кристалі, його орієнтування, попередньої механічної та термічної обробок.

Різниця між пружною та пластичною деформаціями обумовлена різними процесами, які протікають на атомному рівні. Пружна деформація характеризується тим, що під дією зовнішніх невеликих напружень атоми лише трішки зміщуються із положень рівноваги; після припинення дії сил атоми повертаються у своє вихідне положення (рис.4.2,а). У однорідному полі напружень пружна деформація усього кристала також однорідна.

Навпаки, пластична деформація надто неоднорідна. Пластична деформація у протилежність пружній настільки значна, що можна говорити про розрив зв`язків між атомами, які до деформації були сусідами, та про утворення нових стійких зв`язків (рис.4.2,б). Пластична деформація кристала може відбуватися двома шляхами: сковзанням і двійникуванням.

Рис.4.2. Зміщення атомів при пружній (а) та пластичній (б) деформаціях

Сковзання – це деформація, при якій відбувається переміщення однієї частини кристала відносно другої без зміни об`єму шляхом зміщення тонких шарів кристала один відносно одного подібно до стопки книжок, що зісковзують (рис.4.3). Площини, вздовж яких відбувається переміщення шарів кристала, називаються площинами сковзання, а напрямки руху шарів, які зсовуються, – напрямком сковзання.

Рис.4.3. Деформація сковзанням при розтягуванні (а) і стисканні (б)

Площина сковзання та напрямки сковзання, які лежать на ній, являються елементами сковзання, утворюючи при цьому систему сковзання (табл. 4.1).

Таблиця 4.1 Характерні системи сковзання деяких металічних кристалів

Метал
Площини сковзання
Напрямки сковзання

Переважаючими елементами сковзання є щільноспаковані площини та напрямки сковзання, що обумовлено мінімумом роботи, яка витрачається при зсуві на один вектор трансляції: щільноспаковані площини мають більші міжплощинні відстані, отже між ними діють менші сили зчеплення, а вздовж щільноспакованих напрямків вектор трансляції мінімальний. Проте системи сковзання визначаються не тільки структурними даними, але й специфікою міжатомних зв’язків у цьому кристалі. Наприклад, виходячи зі структури кристалів типу найбільш ймовірною площиною сковзання для цих кристалів повинна бути площина , як найбільш щільноспакована, а не , котра спостерігається експериментально. Проте при зсуві вздовж площини потрібні значно більші енергетичні витрати (зовнішні напруження), тому що треба повністю подолати електростатичні сили взаємодії між різнойменними іонами.

Деформація сковзанням проявляється у виникненні на бічній по відношенню до осі навантаження поверхні кристала ліній або смуг сковзання, які можливо розглядати як наслідок проходженні великої кількості дислокацій у близько розташованих площинах сковзання (рис.4.4).

Рис.4.4. Смуги (а) та лінії (б) сковзання на поверхні кристала міді

Механічне двійникування – це деформація, у наслідок якої дві частини кристала виявляються у положенні дзеркально-симетричному або повернутих відносно осі другого порядку (рис.4.5). Процес двійникування здійснюється шляхом послідовних зміщень одна відносно одної атомних площин на відстані, котрі не перевищують параметр гратки.

Двійникування, як і сковзання, розвивається тільки по визначеним кристалографічним площинам. Цей процес розвивається дуже швидко і супроводжується зазвичай характерним тріском.

Рис.4.5. Схема двійникування (а) та розташування атомів при двійниковому зсуві (б). Білими кружечками позначені місця атомів до двійникового зсуву

Двійникування виявляється лише тоді, коли деформація сковзанням утруднена. Серед кристалів металів двійникування легше усього йде у гексагональних металах, трудніше усього - в металах. В одних випадках двійникування викликає зміну форми кристала, в інших – формозміна не відбувається. На відміну від сковзання двійникування спостерігається у випадку, коли деформація здійснюється у одному напрямку. При деформації у протилежному напрямку у здвійникованному кристалі відновлюється форма. При двійникуванні зміщення кульок завжди полярно.

Дата добавления: 2014-10-22