|
|
Монокристаллы и поликристаллы. Элементарная кристаллическая ячейкаВ процессе конденсации атомы, ионы и молекулы, занимая относительно друг друга в пространстве положение с минимумом потенциальной энергии, образуют единую кристаллическую решетку вещества, получившего название монокристалла. Если в кристаллизационном объеме одновременно зарождается большое количество кристаллов, то образовавшееся в таких условиях твердое тело (поликристалл) представляет собой конгломерат сросшихся между собой беспорядочно расположенных кристаллов неопределенной формы (кристаллитов) с размерами чаще всего от 1 до 10~3 см. В поликристалле кристаллиты отделены друг от друга межкристаллической прослойкой, в которой несколько нарушается порядок атомов (рис. 4.3). И если в каждом из кристаллитов наблюдается явно выраженная анизотропия его свойств, то поликристалл в целом обладает уже некоторой усредненной изотропией физических свойств. Наименьшим элементом кристалла, достаточно полно отражающим его свойства, является элементарная кристаллографическая ячейка (рис. 4.4, табл. 4.2). Наиболее распространенными ячейками являются: гранецентрированная кубическая (ГЦК), объемно-центрированная кубическая (ОЦК) и гексагональная плотно-упакованная (ГПУ). Многократным повторением элементарных ячеек в трех направлениях можно получить монокристалл в целом. В таком кристалле механические и другие свойства во многом определяются межатомными расстояниями по различным направлениям.
Рис. 4.3. Схематическое изображение межкристаллических прослоек в поликристалле Так, если в кристалле (рис. 4.5) Ь>с>а, то и прочность на разрыв в нем через плоскость, проходящую перпендикулярно плоскости чертежа и ось ОВ, меньше, чем через плоскости, проходящие вдоль ОС и О А. Эта разница у кристаллов может достигать как нескольких про- центов, так и нескольких раз. Благодаря этому у многих кристаллов имеются явно выраженные слабые и сильные плоскости скольжения, по-разному реагирующие на воздействие внешних сил.
Рис. 4.5. Анизотропия свойств кристаллических тел Теоретическая и реальная прочность твердых тел. Дефекты структуры Использовав представления о структуре твердых тел и материале его частиц, можно рассчитать их действительную прочность. Расчеты для ряда реальных тел показывают, что их теоретическая прочность в 100... 10000 раз отличается от прочности, реализуемой реальными телами. Причиной тому являются дефекты структуры реальных тел. Среди них наиболее распространенными являются: точечные дефекты, линейные дефекты, поверхностные неоднородности и объемные неоднородности материала. Точечные дефекты. В процессе кристаллизации или в результате взаимодействия с внешними силами внутренняя структура кристаллических тел может приобрести существенные изменения. Эти изменения (рис. 4.6) могут проявиться в виде «дырки» (1) - случай, когда в одном из мест кристаллической решетки отсутствуют тот или иной атом или появляется дефект; «внедрения» (2) - случай, когда одна из частиц кристаллической решетки застревает в ее междуузле или дефекта «замещения» (3) - случай, когда необходимый вид частицы решетки случайно заполняется частицей совершенно иного сорта.
Каждый из этих дефектов вносит дополнительные напряжения в кристаллическую решетку твердого тела и уменьшает его прочность. Рис. 4.6. Точечные дефекты кристаллических тел Линейные дефекты. В процессе кристаллизации образуются блоки кристаллической решетки, несколько сдвинутые по направлениям. Границы же блоков представляют собой области с нарушенными структурами, а, следовательно, и с характером взаимодействия между частицами, их составляющими. В тоже время, под действием внешних сил в структуре кристаллических тел могут произойти смещения частиц, приводящие к нарушениям в строении кристаллических тел. Геометрические формы линейных дефектов очень сложные, однако предельные их случаи - краевая и винтовая формы - могут быть представлены в виде схем (рис. 4.7, 4.8). Линейные нарушения чередования атомных плоскостей в кристаллической решетке твердых тел получили название дислокации. В переводе с греческого языка это слово означает смещение. Смещение в кристаллических решетках приводит к возникновению дополнительных концентраций напряжений и, как следствие, к существенно-
му изменению прочности твердых тел. На рис. 4.9 показано, что с увеличение плотности дислокаций в материале р модуль Юнга Е резко уменьшается и после перехода некоторого минимума несколько повышается за счет выхода дислокаций на границы зерен или поверхность, а также за счет их взаимного наложения и компенсации. Рис. 4.9. Зависимость сопротивления деформации от плотности дислокаций Поверхностные (двухмерные) неоднородности представляют собой дефекты поверхности границ зерен и дефекты упаковки, возникающие как при зарождении кристаллов, так и в процессе их эксплуатации. Объемные (трехмерные) неоднородности представляют собой аморфные области, поры, трещины, а также всевозможные включения. |
|
