Физика твердого тела - Ашкрофт Н.
Скачать (прямая ссылка):
© © @ © © © © © © © ®©<®Ф) © © © © ф ^ © ф |)©©©@©©@©©©@ @ 0 © © © @ ф 0 ф ф € © © © © @ @ @@©@©@Э@©©@ ©_® @ © © &©@©ф©©©@@© ф® @ © © © ©0 ф ©ф € @ф@фф@@@ф@ф®@ © ®@ @ @ © © © © , ^©©©©©©©©©©ф©@©©@©©©©©€'
Фиг. 30.16. Два контура в некоторой атомной плоскости кристаллической решетки.
Нижний контур проведен в области без дислокаций. Если выйти из точки Л и сделать пять шагов вниз, шесть направо, пять вверх и шесть налево, то мы опять вернемся в Л. Верхний контур окружает дислокацию (линия дислокации перпендикулярна атомной плоскости). Если выйти из точки В и проделать ту же последовательность шагов (пять вниз, шесть направо, пять вверх, шесть налево), мы попадаем в точку С, а не в исходную точку В, Вектор, соединяющий точку В с С, и есть вектор Бюргерса Ь. (Дислокацию, которую окружает ве рхний контур, легче всего обнаружить, рассматривая страницу под очень малым углом).
252
Глава 30
Если немного подумать, то можно убедиться, что вектор Бюргерса для данной дислокации не зависит от того, по какому контуру мы ее обходим. Вектор Бюргерса перпендикулярен краевой дислокации и параллелен винтовой дислокации. Дислокации, более сложные, чем краевая и винтовая, также могут быть описаны единственным не зависящим от контура вектором Бюргерса, хотя соотношение между направлением вектора Бюргерса и геометрией искаженной области будет не столь простым, как для краевой и винтовой дислокации *).
ПРОЧНОСТЬ КРИСТАЛЛОВ
Низкая прочность хороших кристаллов в течение многих лет представлялась загадкой. Отчасти, конечно, это было обусловлено тем, что экспериментальные данные легко могли привести к неправильным выводам. Было обнаружено, что прочность сравнительно плохо приготовленных кристаллов близка к тем высоким значениям, которые мы получили вначале, оценивая прочность идеального кристалла. Однако было установлено также, что, когда структура кристалла улучшалась (например, при отжиге), его прочность резко падала, становясь на несколько порядков ниже в очень хорошо приготовленных кристаллах. Естественно было бы предполагать, что наблюдаемая прочность в более совершенных образцах должна приближаться к значениям, свойственным идеальному кристаллу, но в действительности все происходило наоборот.
Три человека независимо друг от друга предложили в 1934 г. 2) объяснение такого поведения, связав его с наличием дислокаций 3). Они высказали предположение, что почти во всех реальных кристаллах содержатся дислокации и пластическая деформация происходит за счет их движения, как мы это уже описывали выше. Итак, имеются два пути создания прочного кристалла. Один из них заключается в создании действительно идеального кристалла, не содержащего никаких дислокаций, но этого крайне трудно достигнуть 4). Другой путь — попытаться воспрепятствовать движению дислокаций, поскольку, несмотря на то, что дислокации сравнительно легко перемещаются в идеальном кристалле, работа, затрачиваемая на их перемещение, может значительно возрасти, если на их пути встречаются междоузельные атомы, примеси или даже другие дислокации-
Следовательно, плохо приготовленный кристалл оказывается твердым, поскольку он набит дислокациями и дефектами, которые настолько мешают друг другу двигаться, что скольжение может происходить только посредством описанного ранее механизма, требующего значительно большей затраты энергии. Однако если кристалл сделать более чистым и совершенным, т. е. вывести большинство дислокаций из кристалла, уменьшить число вакансий и междо-узельных атомов до (весьма низкого) термодинамически равновесного значения, то оставшиеся дислокации смогут беспрепятственно двигаться и кристалл
*) Возникновение замкнутой дислокации можно понять, обратившись к описанной ниже модели и воспользовавшись скальпелем и клеем. Разрежем кристалл по поверхности, натянутой на некоторый контур, сместим поверхности по обе стороны от разреза, а затем опять склеим, удалив или добавив атомы, необходимые для сохранения идеальной структуры. В результате такой операции мы получим дислокацию с вектором Бюргерса, совпадающим с тем вектором, на который были смещены поверхности. Топологическое определение (которое эквивалентно), возможно, легче воспринимается .интуитивно, поскольку оно не требует размышлений над этими не совсем понятными операциями.
2) Это были Тейлор, Орован и Польяни (см. работы [9—11]). Представление о дислокациях в рамках классической теории упругости ввел В. Вольтерра примерно за 30 лет до этого.
3) Прямые экспериментальные доказательства существования дислокаций были получены лишь через 10 лет,
4) См., однако, ниже описание «усов».
Дефекты в кристаллах
253
будет легко деформироваться. В таком состоянии кристалл очень мягок. Если можно было бы продолжить процесс до полного исчезновения всех дислокаций, то кристалл снова стал бы твердым. В некоторых случаях, как мы увидим ниже, это действительно наблюдается.
ДЕФОРМАЦИОННОЕ УПРОЧНЕНИЕ
Хорошо известно, что стержень из мягкого металла после ряда сгибаний и разгибаний перестает в конце концов сгибаться и ломается. Это пример деформационного упрочнения. При каждом сгибании все новые и новые дислокации возникают в металле, пока их число не станет столь большим, что они уже мешают двигаться друг другу. Тогда кристалл теряет способность к пластической деформации и при дальнейшем воздействии на него ломается.
