Физическая химия силикатов и других тугоплавких соединений - Горшков В.С.
ISBN 5-06-001389-8
Скачать (прямая ссылка):
Изменяя тем или иным образом число и свойства дислокаций, можно влиять на прочность кристаллических тел. Прежде всего можно предполагать, что кристаллы, имеющие минимальное число дислокаций, будут обладать повышенной прочностью. Действительно, так называемые нитевидные кристаллы («усы») некоторых веществ, свободные от дислокаций, испытывают при нагрузках лишь упругие деформации и в сотни, даже тысячи раз прочнее обычных кристаллов. Даже при повышенных температурах кристаллы без дислокаций не испытывают пластических деформаций. Прочность нитевидных кристаллов приближается к теоретической прочности порядка десятков тысяч МПа. Так, например, получены нитевидные кристаллы N[gO диаметром 1...3 мкм с пределом прочности, приближающейся к 25-Ю3 МПа. В настоящее время получены нитевидные кристаллы разнообразных соединений: металлов, графита, сульфидов, карборунда, оксидов (MgO, ВеО, А1г03 и пр.) и т. д. Получение сверхпрочных нитевидных кристаллов имеет большое промышленное значение. Армирование этими кристаллами других материалов позволяет получать высокопрочные конструкционные материалы, обладающие часто высокой огнеупорностью и химической стойкостью.
Однако получение кристаллов без дислокаций — не единственный путь упрочнения материалов. Оказывается, что повышенной прочностью обладают не только кристаллы без дислокаций, но и кристаллы с повышенной плотностью дислокаций. Например, давно известен метод упрочнения металлов за счет их механической обработки (ударные нагрузки) в холодном состоянии («наклеп» металлов). В результате пластической деформации при «наклепе» плотность дислокаций резко увеличивается, а прочность повышается. Это объясняется тем, что отрицательное влияние на прочность материала обусловливается не самим присутствием дислокаций, а их способностью к передвижению. Если эту способность каким-либо образом ограничить, прочность материала повысится.
Существует несколько возможностей торможения движения дислокаций. Одним из них является уже упомянутый способ увеличения плотности дислокаций в результате пластической деформации,
98
вызываемой механической обработкой данного материала. Этот метод основывается на том, что при увеличении числа дислокаций перемещение данной дислокации в плоскости скольжения, пронизанной многими другими дислокациями, сильно затруднено. Другим способом торможения движения дислокаций является их закрепление путем растворения в материале посторонних атомов (что используется, например, при легировании металлов) или введения мелких частиц другой фазы. В первом случае торможение объясняется тем, что растворимость и, следовательно, концентрация инородных атомов вблизи дислокаций всегда выше, чем в неискаженной части кристалла. Чтобы оторвать дислокацию от «облака» растворенных атомов, необходимо затратить определенную энергию. Поэтому для пластической деформации кристалла, в котором дислокации закреплены «облаками» растворенных атомов, требуются более высокие напряжения, что равнозначно упрочнению материала. Наличие мелкодисперсных частиц другой фазы в материале (например, карбида железа в железе) также тормозит движение дислокаций, ибо требует дополнительной энергии, чтобы дислокация при движении могла «прорваться» между частицами.
Следует отметить, что методы, основанные на торможении движения дислокаций, повышая прочность кристаллических тел, не позволяют, однако, приблизиться к теоретической прочности. Наиболее радикальным в этом отношении остаются методы получения бездефектных кристаллов, не содержащих дислокаций.
Для технологии производства различных материалов важным процессом, сильно зависящим от наличия в кристаллах дефектов типа дислокаций, является процесс роста кристаллов.
Теоретические расчеты показывают, что идеальный бездефектный кристалл может расти, например, из раствора или расплава с заметной скоростью только при очень больших пересыщениях (порядка 25... 50%). Однако реальные кристаллы растут с достаточно большой скоростью даже при ничтожных (в тысячи и более раз меньших, чем рассчитанные теоретически) пересыщениях. В настоящее время это объясняется наличием в кристаллах винтовых дислокаций. Рассмотрим механизм роста идеального кристалла и кристалла, содержащего винтовую дислокацию.
Чтобы на грани идеального кристалла с параллельными атомными плоскостями мог образоваться новый атомный слой (что равносильно росту кристалла в направлении, перпендикулярном плоскости этой грани), на этой грани сначала должен образоваться стабильный двухмерный зародыш нового слоя в виде группы определенным образом ориентированных атомов, образующих ступеньку (рис. 23). Энергия активации этого процесса чрезвычайно велика, поэтому для образования зародыша нужна очень высокая степень пересыщения раствора или расплава, поскольку ниже определенного критического значения пересыщения ( — 25...50%) вероятность его возникновения чрезвычайно мала. После образования зародыша процесс застройки грани идет значительно легче:
4*
99
атомы из раствора адсорбируются на поверхности грани, диффундируют по ней и пристраиваются к образованной зародышем ступеньке, обеспечивая образование на грани нового полностью застроенного атомного слоя. Необходимо отметить, что для дальнейшего роста грани на возникшем атомном слое вновь должен образоваться зародыш нового слоя и так каждый раз, чтобы обеспечить слой за слоем рост идеального кристалла. Поскольку при низких
