Межатомными расстояниями

Напряжения, вызывающие смещение атомов в новые положения равновесия, могут уравновешиваться только силами межатомных взаимодействий. Поэтому под нагрузкой при пластическом деформировании деформация состоит из упругой и пластической составляющих, причем упругая составляющая исчезает при разгрузке (при снятии деформирующих сил), а пластическая составляющая приводит к остаточному изменению формы и размеров тела. В новые положения равновесия атомы могут переходить в результате смещения в определенных параллельных плоскостях, без существенного изменения расстояний между этими плоскостями. При этом атомы не выходят из зоны силового взаимодействия и деформация происходит без нарушения сплошности металла, плотность которого практически

Как известно, упругие свойства твердых тел определяются характером межатомных взаимодействий и поэтому относятся к числу их фундаментальных характеристик. С другой стороны, упру-

Есть ли разница между теоретической и реальной прочностью кристаллов? Теоретическая прочность идеального твердого тела, вычисленная с учетом структуры, величины межатомных взаимодействий и расстояний между атомами и молекулами, во много раз превышает реальную. Последняя составляет лишь проценты, а зачастую доли процента от теоретической прочности. В чем секрет такого несоответствия?

Известно, что атмосфера эффективно защищает Землю от всевозможных излучений. Но в космическом пространстве, где атмосфера отсутствует, теряют прозрачность стекла, разрушаются межатомные связи в пластиках. Под воздействием сверхвысокого вакуума, космического, протонного и электронного излучений в металлах появляются избыточные концентрации вакансий и дислокаций. Радиационные вакансии и дислоцированные атомы приводят к возникновению эффекта схватывания контактирующих металлов, который является следствием межмолекулярных (межатомных) взаимодействий.

Таким образом, сила внешнего трения обусловлена сопротивлением скольжению, возникающим в результате межмолекулярных и межатомных взаимодействий, а также деформирования поверхностного слоя менее жесткого из контактирующих тел внедрившимися микронеровностями более жесткого тела. В общем случае деформационная и молекулярная со-

контакте веществ с любым типом межатомных взаимодействий. Самый общий признак смачивающего действия - «подобное смачивается подобным». Твердые металлы могут смачиваться жидкими металлами, ионные кристаллы - водой и расплавами солей, органические вещества - неполярными жидкостями и т.д.

Для подтверждения высказанного предположения проведена серия первопринщшных расчетов нитридов Al, Ga, содержащих примесные комплексы: GaN (2Be, 2Mg + О), (2Ве, 2Mg + Si), (2Be, 2Mg + Н), (2С + О), A1N :(2С + О), где примеси располагались в соседних узлах решетки матрицы [80—84]. Например, в системе GaN:Mg изолированный дефект (Mg) генерирует набор локализованных состояний с энергией активации -0,2 эВ. Дополнительное введение химически активных донорных центров (О, Н) приводит к возникновению новых межатомных взаимодействий (в комплексах [2Mg(O, H)]) и понижению энергии акцепторных примесных состояний по схеме рис. 2.13. Кроме того, указанные взаимодействия в значительной мере редуцируют энергию кулоновского отталкивания одноименно заряженных примесных ионов, увеличивая тем самым растворимость дефекта в матрице, что позволяет регулировать число носителей, а замена дальнодействующего кулоновского рассеяния на короткодействующее рассеяние на комплексах повышает их подвижность.

щей системе межатомных взаимодействий [20]. По оценкам [2], эффективные заряды в сферах атомов углерода и азота в f}-C3N4 составляют 2,7 и 4,6 е, соответственно. На существенно ковалент-ный характер связи С—N указывает и пространственное распределение зарядовой плотности; контуры сечения р в (0001)-шюско-сти нитрида углерода отражают образование высоколокализованных связей азот—углерод [2].

соединение. Величина его ЗЩ имеет промежуточное значение в сравнении с ЗЩ Si3N4, Ge3N4. Кроме того, в отличие от ЭЭС последних, содержащих в области валентных состояний две четко выделенные р—р- и s—s-зоны, для нитрида углерода образуется единая смешанная #—р-зона. С учетом этих различий, а также локализованного двухцентрового характера межатомных взаимодействий представляются малоэффективными возможные попытки экстраполяции результатов расчетов бинарных нитридов С, Si, Ge (например в идеологии модели жесткой полосы) для описания энергетических состояний тройных (и более сложных) твердых растворов с базисной структурой p-Si3N4 в системах С—Si—N, С—Ge—N, С—Si—Ge—N и т. д. Внимание теоретиков безусловно, будет обращено в ближайшее время на эти системы, особенно с учетом последних работ [24—26], где трудности в получении "чистого" кристаллического C3N4 пытаются преодолеть, исследуя поликристаллические пленки (SiCN).

Простейшая схема межатомных взаимодействий в Si3N4, учитывающая эффекты ковалентного смешивания валентных орбит атомов-компонентов, рассмотрена в [33] в рамках зонной модели Хкжкеля, см. также [19]. Анализ гибридизационных взаимодействий, выполенный [33] в терминах заселенностей перекрывания кристаллических орбиталей (ЗПКО), позволил отнеси перекрывания орбит центров Si—N к взаимодействиям связывающего, а Si— Si и N—N — антисвязывающего типов, рис. 4.3. Пространственное распределение электронной плотности, формирующей упомя-

Электронные свойства Si2N2O исследовались первопринцип-ными методами зонной теории в [22, 50—53]; природа межатомных взаимодействий обсуждалась также в рамках кластерного подхода в [54, 55].

Уже в первых работах, выполненных Гляйтером с сотрудниками [1, 106], был установлен ряд особенностей структуры нано-кристаллических материалов, полученных газовой конденсацией атомных кластеров с последующим их компактированием. Это прежде всего пониженная плотность полученных нанокристаллов и присутствие специфической «зернограничной фазы», обнаруженное по появлению дополнительных пиков при мессбауэровских исследованиях. На основании проведенных экспериментов, включая компьютерное моделирование, была предложена структурная модель нанокристаллического материала, состоящего из атомов одного сорта (рис. 2.1) [1, 107]. В согласии с этой моделью такой нанокристалл состоит из двух структурных компонент: зерен-кристаллитов (атомы представлены светлыми кружками) и зер-нограничных областей (черные кружки). Атомная структура всех кристаллитов совершенна и определяется только их кристаллографической ориентацией. В то же время зернограничные области, где соединяются соседние кристаллиты, характеризуются пониженной атомной плотностью и измененными межатомными расстояниями.

Зарождение трещин в металле при наложении растягивающих напряжений обычно происходит в средах, которые вызывают локализованную коррозию. Образование первичных трещин может быть связано с возникновением туннелей (порядка 0,05 мкм) или с начальными стадиями зарождения питтингов. Всевозможные нарушения кристаллического строения (границы зерен, включения, дислокации), риска, субмикроскопические трещины в металле или на защитной пленке могут стать местами зарождения трещин и значительно повышать склонность к КР. Интенсивная коррозия металла на отдельных ограниченных участках поверхности напряженного металла, испытывающего растягивающие напряжения, может привести к образованию очень узких углублений, величина которых может быть соизмерима с межатомными расстояниями. Отмечается, что существует критический потенциал КР, отрицательнее которого КР не будет происходить. Например, критический потенциал КР стали типа 18-8 в кипящем хлориде магния составляет — 0,14 В. При более положительных потенциалах (анодная поляризация) происходит

Таким образом, мы свели трение в основном к той молекулярной шероховатости, которая является неизбежным следствием атомного строения тел. Из нашего объяснения трения вытекает, в частности, — если пренебречь изменением расположения молекул вследствие теплового расширения и считать размах теплового колебания малым по сравнению с межатомными расстояниями, — независимость (в первом приближении) коэффициента трения от температуры, хорошо подтверждаемая на опыте при температурах, не слишком близких к температуре размягчения тел.

Сам по себе факт образования микротрещин, соизмеримых с межатомными расстояниями, еще не объясняет причин их дальнейшего распространения, так как концентрация усилий, создаваемых трещиной в близлежащих физических связях, недостаточна для их разрушения. Однако имеются факторы, стимулирующие развитие микротрещин. Во-первых, в условиях продолжающегося пластического деформирования микротрещина играет роль препятствия скольжению дислокаций, и у ее кончиков возникают такие искажения кристаллической решетки, которые приводят к дальнейшим разрывам связей. Во-вторых, натяжения связей перед кончиком трещины понижают энергетический барьер, препятствующий образованию вакансий. При этом время t$ уменьшается. Приближенная зависимость для этого времени дается в виде:

а) в «ем замещается один анион на другой, имеющий больший атомный радиус; б) у веществ с одинаковыми межатомными расстояниями уменьшается заряд иона.

Строение кристаллических решеток всех этих фаз сложное, в них отсутствуют системы множественного скольжения, следовательно, фазы недеформируемы. У tf-фазы, например, на элементарную ячейку ее о.ц.т. решетки приходится 30 атомов, ячейка характеризуется соотношением ее размерных параметров с/о«0,52; на элементарную ячейку ромбоэдрической структуры fi-фазы приходится 13 атомов. Фаза Лавеса обладает структурой типа Zr2Mg. Структура элементарных ячеек фаз О, ц и Лавеса складывается из плотноупакованных слоев, отделенных друг от друга относительно большими межатомными расстояниями. Рассматривая модель 0-фазы,мож-

Длина волны, характеризующая ионизирующие излучения, оказывается соизмеримой с межатомными расстояниями, поэтому эти излучения взаимодействуют с атомными ядрами и электронами облочек атома, что отличает этот процесс от рассмотренных ранее видов излучений (§ 4,6, 5.3, 6.1) и определяет более сложный его

Мартенситное превращение — полиморфное превращение при охлаждении, при котором изменение взаимного расположения составляющих кристалл атомов (или молекул) происходит за счет их упорядоченного перемещения (сдвига), причем смещения атомов малы по сравнению с межатомными расстояниями. Мартенситное превращение в сплавах происходит без изменения концентрации фаз.

ческих свойств в различных направлениях плоскостей кристаллической решетки, называемая анизотропией. Она объясняется неодинаковой насыщенностью атомами различных плоскостей решетки и неодинаковыми межатомными расстояниями (рис. 1.1). Поэтому прочность монокристалла меди, например, в одних плоскостях решетки 140 МПа, в других — 330 МПа, т. е. разница свойств кристаллов в различных направлениях может быть весьма существенна. Аморфные тела, в отличие от кристаллических:, изотропны, поскольку имеют одинаковую плотность атомов в различных направлениях.

Уже в первых работах, выполненных X. Гляйтером с сотрудниками [2], был установлен ряд особенностей структуры нанокристаллических материалов, полученных газовой конденсацией атомных кластеров с последующим их компактированием. Это, прежде всего, пониженная плотность полученных нанокристаллов и присутствие специфической «зер-нограничной фазы», обнаруженное с появлением дополнительных пиков при мессбауэровских исследованиях. На основании проведенных экспериментов, включая компьютерное моделирование, была предложена структурная модель нанокристаллического материала, состоящего из атомов одного сорта (рис. 1.5) [2]. В соответствии с этой моделью такой нанокристалл состоит из двух структурных компонент: кристаллитов-зерен (атомы представлены светлыми кружками) и зернограничных областей (черные кружки). Атомная структура всех кристаллитов совершенна и определяется только их кристаллографической ориентацией. В то же время зернограничные области, где соединяются соседние кристаллиты, характеризуются пониженной атомной плотностью и измененными межатомными расстояниями.

Microstrain — Микродеформация. Деформация с дальнодействием, сравнимым с 10 межатомными расстояниями. Это напряжения, усредняемые измерением макронапряжения. Микронапряжение не измеряется существующими методами. Дисперсия распространения микронапряжения может измеряться дифракцией рентгеновских лучей.