Қатты денелердің беріктіліктерін арттыру жолдары.

Тұтастықтың үзілуінің пайда болуы мен сызаттардың таралу механизмі қатты дененің атомдық құрылымына байланысты. Сондықтан, беріктілік осы денелердің құрылымдық-сезімталдық қасиеттері болып табылады. Кристалдарға түсірілген кернеу дислокацияны және оның сырғанау жазықтығы бойымен орын ауыстыруын тудырады. Пластикалық деформация тудыратын пластикалық жылжу осылай іске асады. Өзінің таралу жолында дислокация қоспалар, дәндер мен блоктар шекаралары, сырғанау жазықтықтарының қиылысуы сияқты тосқауылдарға кездесіп тежеледі және кристалл беріктенеді. Жоғарыда көрсетілгендей дислокацияның жинала бастаған кезде жарылулардың пайда болуына мүмкіндік жасайтын кернеудің пайда болуы мүмкін. Осындай денелердің беріктілігін арттыру үшін дислокацияның, жарылулардың пайда болуы мен дамуына жол бермеу қажет. Осыны іске асырудың екі жолы бар:

1. Дефектілері жоқ кристалдар дайындау, оларда жарылулардың пайда болуына әкелетін ішкі кернеу көздері болмайды. Бұл жол тек қана жіп түріндегі кристалдарда ғана қолданылады, олар мұртшалар (усов) деп аталады. Олар арнайы жағдайларда сәйкес химиялық қосылыстарды таза металдардың буларын сутектік және инертті газды орталарда сәйкес температураларда конденсациялау әдісімен ажырату және қайта қалпына келтіру жолымен алынған монокристалдар. Сонымен қатар, ерітінділерден өте кішкене электродтарда металдарды электрлік тұнбалау әдісімен де алуға болады. Жіп тәрізді кристалдардың ұзындықтары әдетте -ден мм-ге дейін және қалыңдықтары аралығында болады.

Осындай кристалдардың ең керемет ерекшеліктері - механикалық қасиеттерінің жоғарылығы, беріктіліктері қатты денелердің теориялық беріктілігіне жуықтайды. Темірдің жіп тәрізді кристалының беріктілігі шамамен , мыстікі , цинктікі , ал кәдімгі металдан жасалған үлгілердікі сәйкесінше , және болады. Темірдің жіп тәрізді кристалы тек қана серпімді деформацияланады, оның серпімді деформациясы өте үлкен шамаға – шамамен жетеді, осындай деформацияға жеткенде кристалл серпімді қирайды. Ал кәдімгі темірде бұл деформация болғанда жеткілікті түрде пластикалық деформацияның басталатынын ескереміз.

Жіп тәрізді кристалдардың осындай ерекше жоғары механикалық қасиеттері олардың ішкі құрылымының өте дұрыстығымен түсіндіріледі. Мұндай кристалдарда дислокация және басқа дефектілер болмайды, шекті жоғары таза, олардың беттік қабаттарының тегістігі сондай, тіпті 40000 есе үлкейткеннің өзінде де, ешқандай тегіс еместік іздері байқалмайды. Осындай өте жоғары сапалылықты өсіру жағдайымен ғана емес, сонымен қоса, кристалдағы тор дефектілерінің оларда болу ықтималдығының азайтатын өлшемдерінің аздығымен алуға болады.

Жіп тәрізді кристалдарда дислокация және басқа дефектілердің болмауынан сырғанау жазықтығы бойымен ығысу қатаң формада ғана өтеді. Осы кезде сырғанау жазықтығындағы барлық атомдардың байланысын бір мезетте жеңеді. Осындай ығысу болу үшін кристалдың теориялық беріктігіне жуық күш (усилия) қажет болады, бұл шынында да солай. «Мұртшалардың» ерекше жоғары серпімді деформациясы жеңіл қозғалатын дислокациялардың болмауымен түсіндіріледі, олар кәдімгі кристалдарда тіпті өте төменгі температуралардың өзінде де пластикалық деформация тудырады.

Сонымен, бірінші жол – дефектісіз, дислокациясыз кристалдарды дайындау жолы - беріктілігі қатты денелердің теориялық беріктілігіне жуық, өте жоғары материалдар алуды көрсетеді. 2. Екінші жол бірінші жолға қарама-қайшы. Ол кристалдың ішкі құрылымын оған қоспа атомдарын кіргізіп, дисперсиялық фазаларды бөліп, күшті пластикалық деформацияға ұшыратын, максимал өзгерістер тудырады. Осындай дефектілер дислокацияның орын ауыстыруы мен жарылулардың таралуын қиындатады, сол арқылы материалды беріктендіреді. Берік және асқын берік материалдарды алу үшін ғылым мен техникада тек осы жол ғана қолданылады. Қазіргі заманғы авиация двигательдерінің 1 кг салмағына оның қуатының 1 ат күші сәйкес келеді, ал өткен ғасырдың басында 250 кг-на 1 ат күші сәйкес келген еді.

Кейінгі уақытта жіп тәрізді кристалдармен толтырылған матрицалардан тұратын композициялық материалдар қолданыла бастады. Матрицалар ретінде тот баспайтын болат, никель, титан және т.б. пайдаланылады. Матрицалар вольфрам жіптерімен, алюминий окисінен жасалған мұртшалармен және т.б. толтырылады. Жеткен жетістіктер таяу уақытта ең жақсы болаттан беріктілігі 5-10 есе жоғары, массасы 1,5-2 есе жеңіл материалдар алуға үміттендіреді.

Аморфты денелер мен шыны тәрізді полимерлердің беріктілігінің ішкі құрылымына сезімталдылығының аз еместігі белгілі. Жоғары температурада жаңа дайындалған шыны, кварц жіптердің ешқандай дефектілері болмайды, олардың беріктілігі кәдімгі беріктіліктен шамамен 100 есе жоғары және теориялық беріктіліктен айырмашылықтары аз.

Бағдарланбаған шыны тәрізді полимерлердің бөлме температурасындағы беріктілігі шамамен . Олардан жасалған қабыршақ (пленка) мен талшықтың беріктілігі шамамен , бұл өте жақсы болаттың беріктілігіне жуық. Полимерлі молекулалардан тұратын тізбек жоғары дәрежеде бағдарланып орналасса, олардан бағытталған полимеризация жолымен алынған ине тәрізді полимер кристалдардың беріктілігі -ға жетеді. Егер, полимерлер тығыздығының 1-ден айырмашылығы өте аз екендігін ескерсек, онда осындай материалдардың техника үшін қандай құнды екендігін көз алдымызға елестетуге болады.

Қазіргі заманғы ғылым мен техникаға қажетті материалдарға деген талаптар үздіксіз, күн санап өсуде. Тіпті қазірдің өзінде бірнеше мың градус температураға шыдайтын материалдарға деген сұраныс артып отыр. Олар осындай температураларда қажетті дәрежеде берік және қалыпты жүктеме түсіргенде пластикалық деформацияға ұшырамауы қажет.

Асқын берік материалдар алудың перспективалары қандай?

Осындай асқын берік және ыстыққа төзімді материалдар алудың бірден-бір принципиальды жолын тапқан совет физигі А.В. Степанов болды. Ол молекулалық кристалдардың ерекшеліктеріне, атап айтқанда күкіртке назар аударды. Күкірт кристалы өте әлсіз молекулалық күштермен байланысқан молекулалардан тұрады. Сондықтан, кристалдың беріктігі мен балқу температурасы төмен ( ). Ал күкірт молекуласындағы атомдар бір-бірімен күшті химиялық байланыста. Егер күкірт торы молекуладағы атомдар арасындағы байланыстар сияқты байланыспен құрылатын болса, онда балқу нүктесі болатын, өте берік кристалл алуға болар еді. Осындай өзгерістерді ұқсас молекулалық кристалдар да жасауға болады.

Бұл мүмкін бе немесе жоқ па? Жұмсақ графит пен гексагональды бор нитридіндегі әлсіз ван-дер-ваальс күштерін күшті ковалентті байланысқа алмастыра отырып өте берік, қатты және қиын балқитын алмаз және боразон алғанымыз, оның мүмкін екендігіне нақты айғақ бола алады. Осындай материалдар алу мүмкіндігі кез-келген еңбектің зая кетпейтінін, оның ғылым мен техникаға орасан зор үлес қосатынын көрсетеді.