2.4. Дефекты строения реальных твердых тел.
К числу рассмотренных ниже основных видов дефектов строения реальных твердых тел относятся:
микротрещины – дефекты строения, которые по их внешнему виду и происхождению можно охарактеризовать как разрывы щелевого типа микро – или субмикроскопических размеров /рис. 11 б/;
мозаичность структуры, выражающаяся в наличии большого числа кристаллических блоков, различных по размеру, но приблизительно одинаково ориентированных /рис. 11 в и г/;
свободные места в решетке /пустоты Смекала/, образующиеся при отсутствии в решетке отдельных частиц или целых их групп /рис. 11 д/;
слоистые структуры в виде чередующихся слоев, разделенных кристаллическими плоскостями повышенной атомной плотности /рис.11 е/;
инородные включения микроскопических и ультра микроскопических размеров, располагающиеся по невидимым поверхностям дефектов строения.
МИКРОТРЕЩИНЫ
Весьма часто встречающейся формой дефектов строения моно и поликристаллических тел, в частности металла, являются местные разрывы – трещины, которые могут иметь размеры, видимые глазом, микроскопические /"микротрещины"/ и ультрамикроскопические /"ультрамикротрещины"/. Возникновение их может быть обусловлено высыханием влажных кристаллов /Na Cl/, термическими и механическими влияниями /металлы/ и в свою очередь объясняться нарушениями процессов роста, регулярности строения решетки, инородными включениями и т.п.
Рис. 11 Основные виды дефектов строения твердых тел /схема/: а – идеальная решетка кубической симметрии /каждая клетка соответствует элементарным ячейкам/; б – микротрещины; в – мозаичная структура; г – вторичная структура по Цвикки; д – решетка при наличии "слабых мест"; е – слоистая структура.
Рис. 12 Геометрические формы микротрещин: а – плоская клинообразная; б – клинообразная двойного заострения; в – полуэллиптического сечения.
Геометрическая форма микротрещин может быть весьма разнообразна. Однако ввиду преимуществ иного развития микротрещин в кристаллических телах по плоскостям спайности преобладающей формой поверхностей ограничения микротрещин являются плоскости. Наиболее изучены две основные формы микротрещин /рис. 12 /: эллептичсские /Гриффитс/ и клинообразные /Ребиндер/. Простейшими формами клинообразных микро полостей являются плоский клин и клин двойного заострения, характеризуемый двумя угловыми параметрами. Плоская клинообразная щель характеризуется глубиной λ, шириной устья d и углом α, у вершины клина /рис. 13/.
Несомненно, что в реальных твердых телах микротрещины не имеют вполне правильных геометрических очертаний. Так, например, вершину клинообразной трещины можно считать притупленной и характеризовать кривизной круга соприкасания некоторого малого радиуса r. Для характеристики таких трещин вводится величина r/λ.
d
Рис.13 Схема плоской клинообразной трещины.
Большое значение имеет влияние микротрещин на распределение напряжений внутри твердого тела. Это распределение экспериментально зарегистрировать, конечно, невозможно ввиду малости размеров микротрещин. Так как, однако, распределение напряжений и деформаций в изотропных телах отличается от этого распределения в кристаллах только количественно, то качественно картина распределения напряжений, например в стекле для клиновидного надреза макроскопических размеров, может дать правильное представление о напряжениях, возникающих в случае микротрещины.
Рис.14 Семейство изоклин /изгиб/, полученное поляризационно – оптическим методом при наличии в испытуемом образце клиновидного надреза; r/λ=0,19
Армбрустер / / экспериментально на стеклянных моделях поляризационно – оптическим методом изучил распределение напряжений в стержнях при наличии надрезов и насечек различной формы /рис. 14 – 16/
Рис. 15 Распределение главных нормальных напряжений в том же случае. Получено на основании поля изоклин рис.14
Характерным для картин распределения напряжений является резкий подъем напряжений вблизи вершины угла клинообразного дефекта поверхности; этот подъем тем резче выражен, чем меньше r/λ. Подъем напряжения может достигать 400%, а для царапин ничтожно малой глубины, но весьма остроугольных – 140%. Эксперименты с растяжением и изгибом привели к почти тождественным результатам.
Представляют также интерес результаты, полученные при исследовании влияния качества обработки поверхности на величину усталостной прочности стали. Повышение прочности наблюдается для поверхностей, подвергшихся обработке давлением. Обточенные и особенно шлифованные поверхности показали понижение прочности.
Причину такого действия шлифовки следует усматривать в образовании тончайших надрезов и царапин остроугольных очертаний, которые наносятся поверхности абразионными зернами.
Таким образом, из изложенного следует, что у вершин микро трещин может возникать высокая концентрация напряжений, опасная для механической прочности тела. При переменных внешних деформирующих силах микротрещины получают благоприятные возможности развития, что и может привести к разрушению тела.
Рис. 16 Распределение главных напряжений сдвига для наиболее узкого сечения образца; по оси ординат отложено максимальное напряжение сдвига, по оси абсцисс - поперечное сечение образца. Пунктирная линия – линейное распределение напряжений, приведенное для сравнения.
СУБМИКРОСКОПИЧЕСКИЕ ТРЕЩИНЫ.
Исследование возникновения микротрещин на образцах из стали 30-ХГСА при растяжении проведено Озеровым Р.П. и Шрайбером Д.С. на электронном микроскопе методом двойного снятия реплик /7 /. Уже при напряжении в 7 кг/мм2 в зёрнах феррита появились микротрещины. Микротрещины наблюдались как на границах раздела фаз, так довольно часто и в толще зерен феррита. При увеличении нагрузки до 37 кг/мм2 росли величина микротрещин и их число. При снятии растягивающей нагрузки, если деформации не выходила за пределы упругости, никаких признаков наличия трещин не наблюдалось. Возникновение микротрещин при напряжениях, не выходящих за пределы упругости, противоречит формальной теории упругости.
МОЗАИЧНОЕ СТРОЕНИЕ КРИСТАЛЛОВ
Учение о мозаичном строении кристаллов возникло в результате исследования отражения света поверхностью кристаллов. Оказалось, что поверхности естественных и искусственных кристаллов не дают строго однозначного зеркального отражения: процесс происходит так, как если бы кристалл и его поверхность были разделены на большое число блоков достаточно правильного кристаллического строения. Эти блоки, образующие "мозаику" кристалла, следует рассматривать не как участки идеальной решётки, а как в свою очередь реальные кристаллы, которые могут, например, содержать инородные включения в атомно – дисперсном состоянии. Блоки мозаики ориентированы, однако, приблизительно параллельно друг другу, так что ни внешний макроскопический вид, ни общая анизотропия свойств, кристалла не нарушаются.
Величины максимальных угловых отклонений отдельных блоков сильно варьируют: для хорошо формированных кристаллов, например алмаза, – около 2` каменной соли – 15`.
Теория мозаичного кристалла, учитывающая глубину проникновения отражённого луча, уменьшение экстинкции /кажущегося поглощения/, влияние величины блоков на величину интегрального отражения, была развита Дарвином и Мозли.
Наблюдения показывают, что встречается как грубая, так и тонкая мозаичная структура. В первом случае блоки имеют размеры 10-2 – 10-3 см, во втором 10-4 – 10-7 см.
Средний размер блоков по вычислениям Дарвина и Марка в случаях хорошо выраженной мозаики соответствует длине ребра ~ 1мк. Эти данные находятся в хорошем согласии с толщиной слоев, установленной для кристаллов слоистой структуры /см. табл. 5 на cтp. 35/.
Недостатки строения в виде мозаичности структуры характеризуют, конечно, и поверхностные слои кристалла. Блоки мозаики выходят на поверхность монокристалла и определяют ее микро – или ультра микро геометрический профиль. Геометрическая характеристика поверхности поликристаллического тела, например металла, определяется: 1) макро геометрическими параметрами /включая сюда и так называемую "волнистость"/; 2) микрогеометрическим профилем с двумя "архитектурными" формирующими его факторами: видом механической обработки и характером металлографической структуры; 3) ультра микрогеометрическим профилем отдельных зерен /кристаллов/ в связи с мозаичностью их структуры.
Весьма интересно, что механическая обработка кристалла может приводить к очень значительным изменениям мозаики поверхности; например, мозаичность поверхности возрастает после полировки и может быть снижена травлением.
Возникновение мозаичной структуры может быть как первичным /при кристаллизации/, так и вторичным /приобретенным/. В первом случае мозаика возникает при росте кристалла, как погрешности ориентации зародышевых плоскостей, во втором – при пластических деформациях при выделении и адсорбции инородных примесей в процессах разделения фаз и тому подобных явлениях. Так, например, Бургер считает, что возникновение мозаичности связано с образованием и переплетением кристаллических волокон.
Цвикки была высказана по вопросу о возникновении мозаики особая точка зрения, которая заслуживает более детального рассмотрения.
ТРЕЩИНЫ ЦВИККИ
Расчеты показали, что, кроме указанного нормального, должно наблюдаться и тангенциальное уменьшение межионных расстоянии для поверхностной кристаллической плоскости, чему препятствуют нижележащие кристаллические плоскости с нормальными константами решетки, свойственными ее внутренним частям. Благодаря этому возникает весьма значительное тангенциальное поверхностное напряжение. В таблице 4 приведен ряд данных, иллюстрирующих вышеизложенное.
Не подлежит сомнению, что описанные особенности атомной поверхностной структуры являются общими для всех кристаллов, не исключая и металлические. Вероятно, они еще более выражены для ребер и углов кристалла, а также для кристаллов особо малых размеров.
Таблица 4
|
Na F |
Na CL |
Постоянная решётка внутри кристалла, А |
2,3 |
2,86 |
Постоянная решётка свободной кристаллической плоскости, А |
2,20 |
2,69 |
Уменьшение постоянной решётки в поверхностном слое нормально к поверхности, % |
3,4 |
5,0 |
Тангенциальное уменьшение постоянной решётки свободной кристаллической плоскости, % |
4,5 |
6,0 |
Тангенциальное напряжение в поверхностном ряду ионов, дн |
5100 |
3000 |
Таким образом, благодаря наличию тангенциального поверхностного напряжения свободная поверхность ионного кристалла стремится сократиться. Цвикки, рассматривая устойчивость поверхностного слоя кристалла по отношению к этому напряжению, развил теорий, которая приводит к заключению о возникновении в кристалле системы трещин /"трещины Цвикки"/, разделяющих кристалл на блоки и образующих паутинную вторичную структуру кристалла, которая в определенных условиях может вырождаться в обычную мозаичную структуру.
Расчеты Цвикки приводят его к заключению, что, например, для NaCL расстояния между трещинами соответствуют 35, а глубина их – 20 периодам повторяемости решетки; таким образом, в поверхностном слое кристалла образуются блоки, в которых число ионных пар имеет порядок 10000.
Процесс разделения кристалла на блоки указанных размеров распространяется на весь кристалл в целом, так как к образующимся свободным поверхностям блоков, а также к поверхностям внутренних дефектов строения и пустот кристалла, конечно, в свою очередь следует отнести описанный механизм образования "трещин Цвикки".
ПУСТОТЫ СМЕКАЛА
Имеется ряд убедительных данных в пользу того, что в реальных кристаллах существует особый вид дефектов строения в виде незамещенных узлов, пробелов или пустот решетки. Такого рода дефекты /в прямом смысле этого слова/, отмечавшиеся особенно Смекалом, характеризуются отсутствием одного или даже значительной группы соседних атомов /ионов/ там, где их наличие предписывается периодом повторяемости идеальной решетки /рис.11 д/.Таким образом, внутри кристалла возникает ряд свободных микрообъемов, в пространственном распределении которых нередко можно усмотреть известную закономерность.
Эти дефекты, которые мы будем называть "пустотами Смекала", обладают, конечно, присущей им внутренней поверхностью, характеризуемой всеми свойствами /в том числе и недостатками/ любой свободной поверхности кристалла.
"Пустоты Смекала" не являются герметически замкнутыми полостями как показывает опыт, /например, поглощение инфракрасных лучей/ возможно проникновение в них инородных веществ, например воды или органических молекул. Сам факт наличия системы пустот, а особенно процессы заполнения их инородными атомами или молекулами, сопровождаемые процессами адсорбции, могут оказывать на физические свойства кристаллов глубокое влияние.
СЛОИСТЫЕ СТРУКТУРЫ
Регулярные слоистые структуры известны у многих кристаллов. В большинстве случаев они относятся к категории первичных структур, возникающих при росте кристалла. Особенно хорошо выражены они у монокристаллов Zn и Cd их сплавов /рис. 17/. При кристаллизации Zn из его паров /в присутствии водорода/ или Zn с добавкой Cd из расплава возникают структуры, наблюдаемые непосредственно микроскопически или после травления в виде ряда чередующихся слоев со средней толщиной около 0,8±0,1 мк. Явление это, видимо, представляет собой общее свойство металлов гексагонального строения, причем ориентация плоскостей ламеллярной структуры, как показывают наблюдения, определяется плоскостями роста.
Рис. 17 Слоистое строение кристаллов, Cd (x700) и Zn (x800).
Тонкие и весьма правильные слоистые структуры вторичного происхождения /механического или термического/ самопроизвольно или искусственно возникают, например, в кристаллах хлористого калия, полевого шпата, опала и т.д.; см. табл. 5.
Таблица 5 – Средняя толщина слоев правильных слоистых кристаллических структур.
Вещество |
Кристаллическая система |
Плоскость слоистой структуры |
Толщина слоя, мк |
Благородный опал |
Ромбическая |
(111) |
0,15-0,33 |
Лейцит K AL Si2O6 |
Тетрагональная |
(110) |
0,25-0,70 |
KCLO3 |
Моноклинная |
(001) |
0,22-0,80 |
Bi |
Ромбическая |
(111) |
1,1±0,2 |
Cd |
Гексагональная |
(001) |
0,8±0,1 |
Zn(сублимированный)
|
-“- |
(001) |
0,8 |
ИНОРОДНЫЕ ВКЛЮЧЕНИЯ
К порокам строения кристаллов относятся также разнообразные включения в решетку инородных веществ. Присутствие чуждого атома в кристаллической решетке вызывает нарушение регулярности ее строения [рис 18].
Рис.18 Модель кристаллической решетки, искаженной вследствие наличия в ней чуждого атома /По У.Брэггу/
Инородные включения могут возникать в результате выделения внутри кристаллов микроскопических и ультрамикроскопических частиц различных веществ, механизм появления которых может быть весьма различен. Они могут иметь первичное происхождение, когда образование частиц сопровождает процессы роста, как, например, в случаях включений маточного раствора, или же возникать в результате разнообразных вторичных процессов, включая и искусственное введение внутрь кристалла тем или иным методом тех или иных веществ. Явление инородных включений в решётку весьма распростри немо среди естественных кристаллов; так, окраска большинства природных минералов объясняется наличием ультрамикроскопических включений.
Исследование пространственного распределения инородных включений представляет значительный интерес с точки зрения изучения ультрамикроскопических дефектов строения кристаллов. Исследования эти основаны на изученье рассеяния света частицами /Эффект Тиндаля/, причем цвета рассеянных лучей, согласно теории Mu, определяются как оптическими константами частиц, так и их величиной. Представление о форме ультрамикроскопических частиц можно получить, исследуя интенсивность рассеянного света и характер его поляризации.
Исследования такого рода показали, что включения инородных частиц в кристаллах могут располагаться по произвольном кривым поверхностям, а также по плоскостям спайности, скольжения и двойникования.
Для исследования строения реальных кристаллов, помимо прямых оптических методов, значительный интерес представляют метод окрашивания кристаллов; в их основе лежат фотоэлектрические и фотохимические процессы ("субтрактивное" окрашивание), а также процессы воздействия на кристалл металлических паров (аддитивное окрашивание). Активными в отношении окрашивания являются ультрафиолетовые и рентгеновские лучи, а также радиоактивные излучения. Фото – физико – химические процессы протекают на свободных поверхностях кристалла, ограничивавших дефекты его строения именно здесь и образуются продукты (более или менее стабильные) такого рода реакций.
Выделение металлического золя происходит в субмикроскопических полостях и трещинах кристалла. Поэтому пространственное распределение металлических коллоидных частиц, видимое благодаря, рассеянна ими пучка лучей, дает наглядную и точную картину пространственного распределения и геометрической формы тончайших невидимых дефектов строения кристалла.