Прочность кристаллов

тем легче, чем больше дислокаций будет в металле. В металле, в котором нет дислокаций, сдвиг возможен только за счет одновременного смещения всей части кристалла1. В случае, если под действием напряжений дислокации не зарождаются, то прочность бездислокационного металла должна быть равна теоретической.

Рис. 47. Прочность кристалла в зависимости от

В известных работах А. Ф. Иоффе с сотрудниками [643 была поставлена сердя опытов по изучению прочности кристалл* i-з КУ-меннои солц при различных состояниях поверхности образца. Г-?л-лс обнаружено, что прочность кристалла с растворенным в горячей воде поверхностным слоем во много раз превышает его техническую прочность, достигая в некоторых случаях значения теоретической прочности. Основная идея этих работ состоит в доказательстве, что уменьшение реальной прочности по сравнению с теоретической происходит из-за поверхностных несовершенств

Рис. 11. Прочность кристалла в зависимости от искажений решетки:

кристаллической решетки, которое в двух измерениях имеет размеры порядка атомных, а в третьем — гораздо больший. Когда между атомными плоскостями «вставлена» дополнительная неполная плоскость, край ее называют краевой дислокацией . Ее энергия порядка 10~16—10~17 Дж. Она ослабляет прочность кристалла на 2...3 порядка, так как участки с разным количеством плоскостей сдвигаются относительно друг друга при значительно меньших напряжениях, чем на других участках, где атомы расположены регулярно в узлах решетки. Это смещение представляют как движение дислокации по кристаллу. Если два участка кристалла с лишними кристаллическими полуплоскостями встретятся, образуется полная плоскость, дислокация аннигилирует. Существуют другие типы дислокаций, например винтообразные. Дислокации накапливаются у препятствий— других нарушений кристаллической решетки. Преодоление препятствий происходит путем совместного движения группы дислокаций и вызывает более интенсивные упругие сигналы.

скостями; это и определяет различие свойств у монокристаллов в зависимости от плоскости и направления; в направлениях наиболее близкого расположения атомов между собой прочность кристалла максимальна.

Таким образом, дефекты решетки оказывают на сопротивление кристалла деформации двоякое влияние. Способствуя образованию дислокаций, они ослабляют кристалл. С другой стороны, они упрочняют его, так как препятствуют свободному перемещению дислокаций. Это позволяет представить влияние количества дефектов на прочность кристалла U-образной кривой, показанной на рис. 1.40. Некоторой плотности дислокаций р0 соответствует минимальное сопротивление кристалла деформации. Уменьшение р по сравнению с РО приводит к повышению прочности, так как приближает структуру к идеальной. Увеличение числа дефектов по сравнению с р0

А не может ли случиться так, что все дислокации выйдут на поверхность кристалла? В этом случае они были бы исчерпаны, и прочность кристалла резко возросла. Однако этого никогда не произойдет, и вот почему. Английский ученый Ф. Франк и американский ученый В. Рид в 1950 году открыли явление образования новых дислокаций в процессе пластической деформации. Представьте себе краевую дислокацию закрепленной в крайних, неподвижных точках. Под действием напряжения она сначала выгнется, а затем начнет излучать замкнутые расширяющиеся кольца дислокаций. Расчеты показали, что величина напряжения обратно пропорциональна радиусу кривизны линии дислокации.

схемы зависимости сопротивлений деформированию (прочности) от количества искажений в решетке. Характер изменения кривой прочности от числа дефектов кристаллического строения схематически показан на рис. 1.3. На этой кривой прочности можно выделить следующие четыре участка. Начальный участок Оа представляет прочность кристалла без дефектов, так называемую теоретическую прочность идеальной кристаллической решетки, в которой все атомы одновременно воспринимают действие нагрузки (сгус — прочность монокристаллических усов).

При металлическом типе связей характерными являются относительно высокая пластичность и большие силы сцепления, т. е. большая прочность кристалла (наряду с этим •— высокие электропроводность и теплопроводность). Говоря о значительной пластичности металлов, имеем в виду так называемую атермическую пластичность, т. е. пластичность, обусловленную не высокими температурами (близкими к температуре плавления металла). Термическая пластичность, связанная с высокими температурами, имеет диффузионную природу; она обнаруживается не толёко у металлов; такая пластичность не сопровождается большой прочностью. Материалы с ионными связями обладают очень большой прочностью при сжатии, низким сопротивлением разрыву и практически характеризуются отсутствием пластичности; эти материалы имеют очень низкие электропроводность и теплопроводность. Для хрупкого мгновенного разрушения таких материалов достаточно мельчайших трещин на поверхности. Однако имеются керамики, у которых прочность при растяжении доходит до 14 кГ/мм*, а прочность при сжатии — до 280 кГ/мм*. •

Для выяснения этого необходимо рассмотреть особенности строения аморфных металлов. Качественная двумерная схема деформации кристалла приведена на рис. 8.7,а, а аморфного твердого тела— на рис. 8.7,6. В кристалле при приложении касательного напряжения деформация происходит вследствие того, что дислокация, изображенная в центре рисунка, при своем движении смещает одну часть кристалла относительно другой. Поэтому прочность кристалла определяется подвижностью дислокаций. Напротив, поскольку в аморфном твердом теле не существует кристаллографических 'плоскостей, при приложении касательного напряжения к группе

Теорией дислокаций доказывается не только реальная прочность кристаллов, но и объясняется ряд механических и физических свойств металлов и сплавов: например, зависимость деформации от напряжения; старение; хрупкость; влияние пр/ййесей на механические свойства; изменение плотности, электропр/ внутреннее трение; полиморфизм

Сильная ковалентная связь с энергией порядка 105 Дж/моль определяет высокую температуру плавления и прочность кристаллов. Ковалентной связью обусловлены структуры так называемых атомных кристаллов — алмаза, кремния, германия, серого олова и др.

64. Ипффе Л. Ф., Кирпччева М. В., Левитская М. А.— Деформация и прочность кристаллов.— Журнал русского физико-химического общества. Члсть физическая, вып". 56. 1024". с. 48!)—503.

В отличие от данных работы [6] авторы работы [10] установили, что прочность кристаллов NaCl не остается постоянной, а существенно зависит от температуры:

149. Томас Г. Структура дисперсионноупрочненных сплавов // Электронная микроскопия и прочность кристаллов.— М. : Металлургия, 1968.— С. 437—493.

295. Суон П. Р. Дислокационные группы в ГЦК-металлах и сплавах//Электронная микроскопия и прочность кристаллов.— М.: Металлургия, 1968.— С. 123—168.

. Теоретическая прочность кристаллов на сдвиг. Основным механизмом пластического течения кристаллов является сдвигообразова-ние. Долгое время считалось, что оно происходит путем жёсткого

Из (1.44) следует, что теоретическая'прочность кристаллов на сдвиг, вычисленная из предположения, что смещение одной части кристалла относительно другой происходит одновременно по всей плоскости сдвига, должна составлять « 0,10, т. е. быть величиной порядка 109—1010 Н/ма (104—10* кгс/см2). Более строгий учет характера сил взаимодействия между атомами приводит к незначительному уточнению этой величины.

Опыт, однако, показывает, что реальная прочность кристаллов на сдвиг примерно на 3—4 порядка ниже этой величины, что свидетельствует о том» что сдвиг в кристаллах происходит не путем жесткого смещения атомных плоскостей друг относительно друга, а осуществляется таким механизмом, при котором в каждый момент времени смещается лишь относительно . небольшое количество атомов. Это привело к развитию дислокационной теории пластического течения кристаллов.

Низкая прочность кристаллов на сдвиг обусловлена наличием в них уже готовых дислокаций и генерированием их в процессе сдвигообразования. С другой стороны, известно, что по мере развития пластической деформации и роста количества дефектов кристалл упрочняется. Сущность такого упрочнения состоит во взаимодействии дислокаций друг с другом и с различного рода дефектами решетки, приводящем к затруднению перемещения их в кристалле.

106. Электронная микроскопия и прочность кристаллов. Пер. с англ. Под ред. Д. А. Петрова. М., «Металлургия», 1968.