56. Дефекты кристаллической решетки. Механические свойства твердых тел.

Реальные кристаллы не совершенны, т.к. они имеют конечные размеры. Дефектами кристаллической решетки называется любой недостаток, любое отклонение от идеального периодического строения. Дефекты могут образовываться в процессе кристаллизации под влиянием тепловых и кристаллических воздействий, при излучении. Различают дефекты: 1) точечные, 2) линейные, 3) объемные.

1)Точечные могут быть: а) собственными. Вакансия – отсутствие атомов в узле решетки, из-за чего происходит деформация решетки.

Междоузельный атом – атом, внедрившийся в междоузельное пространство. б) примесные – присутствие в кристалле чужеродных атомов (примесей) вызывает: замещение – когда один из атомов кристаллической решетки основного вещества заменяется атомом примеси; внедрение – когда атом примеси занимает междоузельное положение в решетке. Точечные дефекты нарушают лишь ближний характер кристалл, не затрагивая дальнего порядка.

2)Линейные дефекты, называемые дислокациями, нарушают дальний порядок. Дислокации - линейные дефекты, вблизи которых нарушается правильное расположение атомных плоскостей. Дислокации бывают винтовые и краевые.

3) К объемным дефектам относятся скопление вакансий, образующих поры включения посторонней фазы (например, пузырек газа)

Механические свойства т.т. зависят от сил, действующих между атомами, молекулами, ионами, образующих кристаллическую решетку. Некоторые т.т. пластичны, а некоторые хрупкие. Реальные кристаллы из-за дефектов имеют невысокую прочность. Деформация – изменение размеров и фор кристаллов под действием внешней силы. Деформация называется упругой, если после прекращения действия внешних сил, тело восстанавливается в первоначальное. Пластическая деформация остается последействия сил. При деформации тела возникает сила упругости. Физическая величина, определяемая модулем силы упругости, действующей на единичную площадку поперечного сечения, называется напряжением. Если сила направлена по нормали к поверхности, напряжение называется нормальным, если по касательной – тангенциальным. Количественной мерой, характеризующей степень деформации, является его относительная деформация, например относительное изменение длины стержня (продольная деформация) . Относительное поперечное растяжение (сжатие) .

Гук экспериментально установил, что для малых деформаций относительное удлинение и напряжение пропорциональны друг другу. , где E – коэффициент пропорциональности, называемый модулем Юнга. Модуль Юнга определяет напряжение, вызванное удлинением, равное 1.

, где k – коэффициент упругости.

П

оследнее выражение определяет закон Гука, согласно которому удлинение стержня при упругой деформации пропорционально действующей силе. Рассмотрим связь между деформацией и напряжением.

И з рисунка видно, что линейная зависимость, установленная Гуком, выполняется лишь до некоторого предела, называемого пределом пропорциональности . При дальнейшем увеличении напряжения деформация еще упругая, хотя зависимость уже не линейная и до предела упругости остаточные деформации не возникают. За пределом упругости теле возникают остаточные деформации и тело не возвращается в первоначальное состояние после снятия напряжения, а пошло по штриховой линии. Напряжение, при котором остается заметной остаточная деформация (0,2%) называется пределом текучести. , при котором относительная деформация возрастает без увеличения напряжения (область текучести или область пластической деформации). При дальнейшем растяжении происходит разрушение тела. Максимальное напряжение, возникающее в теле до разрушения, называется пределом прочности .

Н а рисунке приведена качественная зависимость сил межмолекулярного взаимодействия от расстояния между молекулами. Силы отталкивания принято считать положительными, притяжения – отрицательными. На расстоянии r_o силы притяжения и отталкивания равны. Т.о. r_o соответствует некоторому равновесному расстоянию между молекулами.

Механизм упругой деформации. Под действием внешней деформации атомы сближаются на такое расстояние, при котором возникающие между ними силы отталкивания компенсируют эту внешнюю нагрузку. После снятия внешней нагрузки эти силы отталкивания возвращают атомы в прежнее положение. Механизм пластической деформации. Кристаллическая решетка пластической деформации не подвержена. Под действием внешней нагрузки размеры и форма элементарной ячейки не меняется. При пластической деформации происходит сдвиг атомных плоскостей на расстояние большее постоянной решетки, в результате чего сдвинутые плоскости занимают новое равновесное положение. Т.о. пластичность т.т. связана с дислокациями и с возможностями свободного их перемещения.