Лекция 13. Нитевидные кристаллы (монокристаллы) и их свойства

Нитевидные кристаллы и их прочность. Нитевидные кристаллы (усы) –тонкие монокристаллы нитевидной формы и в настоящее время являются единственным материалом прочность которого приближается к теоретической. Это прежде всего обусловлено тем, что они имеют строение почти идеального монокристалла, т.е. имеют бездислокационную кристаллическую структуру (за исключением осевой винтовой дислока­ции). Нитевидные кристаллы в природе и выращенные искусственно известны давно, однако особый интерес к ним стал проявляться в 50-е годы после того, как было установ­лено, что их прочность близка к теоретической.

Основными способами получения нитевидных кристаллов являются зарожденные из газовой фазы и кристаллизации из расплавов растворения, образование нитевидных кристаллов осуществляется диффузионным дислокационным механизмом. Рост кристалла происходит по винтовой дислокации, создающей нарастающую ступеньку на вершине кристалла.

Осевой рост обеспечивает получение тонкой нити (диаметром несколько микрометров). При достижении определенной длины нити_(несколько миллиметров или сантиметров) может происходить радиальный рост образованием, кроме осевой винтовой дислокации, большого числа краевых и смешанных дислокаций, выходящих на поверхность. Образование таких дислокаций, их выход на поверхность приводят к созданию концентратов напряжений и незначительной потере высоких прочностных свойств нитевидных кристаллов.

Вероятность возникновения дефектов возрастает с увеличением толщины кристаллов и, следовательно, будет приводить к падению прочности. На рис.47 приведена зависимость прочности нитевидных кристаллов железа и меди от их толщины. При толщине менее 10 мкм прочность возрастает. Особенно резко она увеличивается при толщине 2-10 мкм. Для кристаллов, толщина которых более 10 мкм, прочность не зависит от толщины и равна прочности массивных монокристаллов. Аналогичная зависимость прочности от толщины наблюдается и для нитевидных кристаллов других материалов. Разница заключается лишь в том, что толщина нити, при которой прочность снижается до обычной, будет различной. Нитевидные кристаллы толщиной около 1-2 мкм имеют, как правило, лишь одиночные осевые дисш6кащш, поэтому такие кристаллы обладают максимальной прочностью.

Разрушение нитевидных кристаллов может быть упругим и вязким. В случае хрупко­го разрушения прочность кристалла характеризует напряжение отрыва. Разрушению металлов чаще всего предшествует заметная пластическая деформация. Пластическая деформация нитевидных кристаллов имеет ряд особенностей. На рисунке 48 приведена диа­грамма растяжения нитевидного кристалла меди. На кривой «напряжение-деформация» имеется ярко выраженный зуб текучести (стадия I). По достижению максимального на­пряжения σ_мах, соответствующего вершине зуба текучести, в кристалле начинается пла­стическая деформация: зарождаются и размножаются дислокации, образуются линии скольжения (Чернова-Людерса); увеличивается плотность дислокаций, они выходят на поверхность и, как следствие всего этого, напряжение резко падает до значений σ_т. На стадии 11 происходит движение дислокации (распространение линий скольжения) при по­стоянном напряжении. Пики напряжений свидетельствуют о зарождении новых линий скольжения, а минимумы - об их выходе на поверхность. С увеличением степени дефор­мации наступает Стадия деформационного упрочнения (111). Разрушение происходит при напряжении σ_в, которое по величине соответствует пределу прочности массивных моно­кристаллов. Из приведенного анализа диаграммы растяжения следует, что прочность ни­тевидного кристалла характеризует верхний предел текучести σ_мах, а не предел прочности σ_в. Верхний предел текучести определяет максимальную прочность нитевидного бездис­локационного кристалла, а образование в нем дислокаций уменьшает его прочность до значений, характерных для обычных кристаллов. Поэтому нельзя обозначать максималь­ное напряжение при растяжении нитевидного кристалла как σ_в, его следует обозначать σ_мах. На основе полученных значений σ_мах и зная кристаллографическую ориентировку оси нитевидного кристалла (направление роста), можно рассчитать напряжение сдвига τ_мах.

В таблице 5 приведены механические свойства нитевидных кристаллов некоторых металлов. Все эти кристаллы (кроме железа) разрушались вязко, кристаллы железа разрушались хрупко. В таблице 6 сведены данные таблицы 2-5 о прочности нитевидных кри­сталлов и теоретической прочности при сдвиге и отрыве при одинаковых кристаллогра­фических направлениях для железа, меди и серебра.

Сопоставление данных таблицы 6 показывает, что теоретическая прочность при отрыве по Оровану на порядок выше максимального напряжения нитевидных кристаллов. Даже для железа, нитевидные кристаллы которого разрушались хрупко, т.е. разрушение происходило путем отрыва, теоретическая прочность по Оровану значительно больше масимальной прочности нитевидных кристаллов. По мнению А. Келли, оценка прочности по Оровану дает заметные значения.

Таблица 5. Механические своства нитевидных кристаллов металлов.

Металл	Направление роста кристал­лов	Диаметр, мкм	σ мах, ГПа	τ мах, ГПа
Fe	[111]	1.6	13,4	3.64
W	-	11	13,2	-
Си	[111] -	- 1,0	3,6 4,5	0.92 -
Аg	[100]	3,8	1,76	0.72
Аи	[110]	-	1.01	-
Zn	[2110]	1.0	0.91	-

Тяблица 6- Прочность нитевидных кристаллов и теоретическая прочность металлов

Металл	Прочность кристалла, ГПа		Теоретическая прочность, ГПа
	σ max	τmax	τ теорФр	τ теорМк	τ теорОр
Fe	13,4	3,64	12.6	6.6	4б,о
Си	3,6	0,92	6,9	1.4	39.0
Ав	1,76	0,72	4.35	0,9	15.2

Вполне удовлетворительное совпадение расчетных и опытных данных достигается в случае оценки прочности при сдвиге. Анализ литературных данных, проведенный А. Ке.л­ли. и данные таблицы 6 свидетельствуют о применимости к металлам мелода определения теоретической прочности при сдвиге по Маккензи.

Нитевидные кристаллы, имея уникальную прочность, находят вес же ограниченное практическое применение из-за сложности получения, весьма малых объемов производст­ва (исчисляемых граммами) и, как следствие этого, высокой стоимости. Применение их возможно в качестве тензодатчиков. осцилляторов высокой чувствительности, высоко­прочных нитей в приборах и т.д. Они являются прекрасным объектом для изучения неко­торых физических явлений в тех случаях, когда необходимо исключить влияние дефектов кристаллического строения или нарушений сплошности поверхности.

Одним из наиболее перспективных путей применения нитевидных кристаллов является использование их в качестве упрочняющих волокон и композиционных материалах. Последние представляют собой металлические керамические или пластиковые матрицы, армированные высокопрочными волокнами (нитевидными кристаллами, проволокой, по­лимерами и т.п.). В таких материалах наиболее эффективно использование в качестве во­локон нитевидных кристаллов веществ с высоким модулем упругости (например: карби­дов, нитридов, боридов. оксидов п т.п.). Так армирование серебра высокопрочными усами сапфира (α Аl₂О ₃) позволило получить композит прочностью 1600 МПа при содержании усов 24 % и их средней прочности 7700 МПа. Такие композиты имели повышенную проч­ность и при температуре, близкой к температуре плавления матрицы (серебра).