Фейнман писал(а):...металлы обычно имеют простую кубическую кристаллическую структуру; сейчас мы обсудим их механические свойства, которые зависят от этой структуры. Вообще говоря, металлы очень «мягкие», потому что один слой кристалла легко заставить скользить над другим. Вы, наверное, подумаете: «Ну, это дико — металлы ведь твердые». Нет,
монокристалл металла легко деформируется.Рассмотрим два слоя кристалла, подвергающихся действию силы сдвига (фиг. 30.11, а). Вероятно, вы сперва решите, что весь слой будет сопротивляться сдвигу, пока сила не станет достаточно велика, чтобы сдвинуть весь слой «над горбами» на одно место влево. Хотя скольжение по некоторой плоскости возможно, все происходит совсем не так. (Иначе, согласно вычислениям, получилось бы, что металл гораздо прочнее, чем он есть на самом деле.) В действительности же дело больше походит на то, что атомы перескакивают поочередно: сначала прыгает первый атом слева, затем следующий и т. д., как показано на фиг. 30.11, б.
В результате пустое место между двумя атомами быстро путешествует направо и весь второй ряд сдвигается на одно межатомное расстояние. Скольжение происходит таким образом, что на перекатывание атома через горб поодиночке требуется гораздо меньше энергии, чем на поднятие всего ряда в целом. Как только сила возрастет до значения, достаточного для начала процесса, весь процесс протекает очень быстро.
Оказывается, что
в реальном кристалле скольжение возникает поочередно: сначала в одной плоскости, затем заканчивается там и начинается в другом месте. Почему оно начинается и почему заканчивается — совершенно непонятно.
то есть скольжение происходит с энергозатратами куда меньшими нежели понадобились бы для разрыва хим связей на протяжении всего слоя (для определенных решеток!). Как ведет себя однокомпонентный кристалл при возникновении дефектов структуры?
Дислокации могут свободно передвигаться. Это значит, что для них требуется немного дополнительной энергии, если только весь остальной кристалл имеет совершенную решетку. Но они могут и «застыть», встретив какой-нибудь другой дефект в кристалле. Если для прохождения дефекта требуется много энергии, они остановятся. Это и есть тот механизм, который сообщает прочность несовершенным кристаллам металла. Кристаллы чистого железа совсем мягкие, но небольшая концентрация атомов примесей может вызвать достаточное количество дефектов, чтобы противостоять дислокациям. Как вы знаете, сталь, состоящая в основном из железа, очень тверда. Чтобы получить сталь, при плавке к железу примешивают немного углерода; при быстром охлаждении расплавленной массы углерод выделяется в виде маленьких зерен, образуя в решетке множество микроскопических нарушений. Дислокации уже не могут свободно передвигаться, и металл становится твердым.
дефекты препятствуют скольжению дислокаций и пластичности. Более того, если сталь "перекалить", то есть окунуть доведенную до раскаленного состояния (при закалке это цвет соломы) не в масло а в воду, то
дефектов будет настолько много, что вызовет охрупчивание.Теперь рассмотрим, допустим а кварц , и его решетку, не кубическую - гексагональную, с учетом двух элементов, выходит
тут уже "сдвинуть" слой не получится, по причине двухкомпонентности, сдвигать нужно сразу на параметр решетки (расстояние между атомами по ребру элементарной ячейки), что равносильно разрушению всех связей по плоскости скольжения и расколу кристалла, что и наблюдается, кварц не демонстрирует пластичности (и не только кварц) при напряжении он раскалывается. Фактически это можно сопоставить с поведением перезакаленной стали, для чего она собственно и рассматривалась.
Появление дефекта(ов) в к. решетке кварца наоборот приводит к более вероятному скольжению за счет появления новых связей, однако нужно достаточно много дефектов,
Поэтому многокомпонентные кристаллы (не кубических сингоний) для пластичности(не в трактовке разового акта скольжения без разрушений, а в смысле - видоизменению формы макрообьекта без разрушений) должны перейти в аморфное состояние - потеря дальнего порядка.
До того материал будет демонстрировать повышенную
ползучесть - деформирование под действием напряжений в течении определенных(значительных) промежутков времени за счет миграции дефектов под воздействием приложенных напряжений.
О радиационных деформациях, здесь -
Радиационные дефекты в твердом телеИтого, чистые металлы кубической сингонии, под воздействием облучения за счет деформаций должны упрочняться. Многокомпонентные сплавы - охрупчиваться, и в некоторых диапазонах температур и облучений показывать увеличение ползучести.
Сопоставим как азбука ложится на реальные данные.
медь
демонстрирует упрочнение
никель
чистые металлы - упрочняются - радиационное упрочнение, особенно при предварительном отжиге, когда структура изначально не имела деффектов
сплав
при температуре 300 С, наблюдается легкое разупрочнение, кривая 1 Б
пластичность при этом снижается
что наблюдается и на верхнем рисунке у меди, нужны куда большие напряжения для того, что бы вызвать такое же изменение размеров.
переходим к ползучести (радиационной)
все по азбуке, сплав демонстрирует повышенную ползучесть вплоть до разрушения. Причем по горизонтальной оси откладываются часы, и на демонстрацию ползучести требуется десятки часов.
фактически радиационная ползучесть сопоставима с термической при более высоких температурах.