•Напряжение сдвига, необходимое для движения дислокации, впервые определили Пайерлс и Набарро. Напряжение сдвига τ, действующее в плоскости скольжения, принимают периодической функцией относительного смещения соседних плоскостей. Для передвижения линии краевой дислокации с одного равновесного состояния в ближайшее другое необходимо приложить напряжение τ0, которое определяется по формуле
0 = 2G(1− )−1exp(−2 r0 b−1),
• где r0 – межплоскостное расстояние между скользящими атомными плоскостями; b – межплоскостное расстояние в направлении
скольжения; − коэффициент Пуассона; G – модуль
сдвига; = (3 − 2 ) /(4(1− )),
• Прочность и пластичность определяются почти
исключительно дефектной структурой вещества.
30
•Дефекты кристаллической решетки вследствие подвижности атомов перемещаются. Атомы, кроме колебательного движения около теоретического узла решетки, совершают и другие движения вследствие постоянного обмена энергией между собой, что сопровождается пиковым скоплением кинетической энергии в каком-то из них. Может оказаться, что этой энергии достаточно для преодоления сил, удерживающих атом в его регулярном положении в решетке. Так, атом может попасть в промежуток между узлами (дислоцированный атом). Может произойти и обмен местами двух атомов. Вакансия может быть занята соседним атомом. Таким образом, она перемещается. При комнатной температуре вакансия может сохранять свое положение до суток, а при повышенной температуре – десятитысячные доли секунды. Большой подвижностью отличаются дислокации и дисклинации.
31
К двумерным дефектам относят: мозаичную структуру кристалла, которая заключается в наличии границ между слегка наклоненными друг к другу частями (блоками)
одного кристалла; границы между зернами – нарушение правильного кристаллического строения зерна вблизи его границы (в поликристаллическом теле); дефект взаимного расположения соседних слоев атомов в кристалле.
Например, в чистых металлах основным элементом наноструктуры выступают неравновесные границы зерен. Неравновесные границы зерен в наноструктурных материалах вследствие наличия в их структуре внесенных дефектов с предельно высокой плотностью обладают избыточной энергией и дальнодействующими упругими напряжениями. В результате действия этих напряжений вблизи границ зерен возникают значительные искажения кристаллической решетки, которые экспериментально обнаруживаются методами просвечивающей электронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа. Атомные смещения в приграничных областях изменяют динамику колебаний решетки и, как
результат, приводят к изменению таких фундаментальных |
|
свойств, как упругие модули. |
32 |
В неравновесных границах зерен наноструктурных металлов существует несколько типов внесенных дефектов: сидячие зернограничные дислокации с векторами Бюргерса, нормальными к плоскости границы, скользящие или тангенциальные зернограничные дислокации с векторами Бюргерса, касательными плоскости границы, а также стыковые дисклинации в тройных стыках. Структурная модель наноструктурных материалов с размером зерен около 100 нм показана на рис. 1.12, а. В этом случае разделяют упруго-искаженные зоны – области решетки вблизи границ зерен шириной в несколько нанометров и центральные части зерен с совершенной кристаллической решеткой. Искаженные приграничные зоны характеризуются также изменениями параметров решетки, что следует из данных высокоразрешающей электронной микроскопии и мессбауэровской спектроскопии.
33
б
а
Рис. 1.12. Схематичное представление наноструктурного материала: а
– со средним размером зерен около 100 нм (треугольники разного размера и ориентации обозначают дисклинации различной мощности и знака), где вблизи неравновесных границ зерен формируются упру- го-искаженные области; б – зернограничных дефектов и искажений кристаллической решетки в наноструктурном материале с размером зерен 10...20 нм
34
•Такие наноструктуры типичны для чистых металлов, подвергнутых интенсивной деформации кручением, когда размер зерен составляет 100...200 нм. Если размер зерен уменьшается до 10...20 нм, то искажения кристаллической решетки охватывают все зерно (рис. 1.12 , б). Решетка теряет строгую периодичность, а наноструктурные материалы приобретают псевдоаморфную структуру. Это экспериментально подтверждено рентгеноструктурными и электронномикроскопическими исследованиями наноструктурных металлов, полученных ИПД- консолидацией (интенсивной пластической деформацией ) порошков после шарового размола и имеющих чрезвычайно малый размер зерен (меньше
15...20 нм).
35
Л3 ДЕФОРМАЦИИ И РАЗРУШЕНИЕ МОНОКРИСТАЛЛОВ
•Деформации в монокристалле возникают под влиянием внешних воздействий. Изменяется расстояние между атомами. Силы межатомного взаимодействия препятствуют перемещениям атомов. При малых смещениях атомов устранение внешних воздействий приводит к восстановлению первоначального состояния монокристалла. Исчезающие деформации называются упругими. Если значения внешних воздействий растет, то возникают пластические (остаточные) деформации и разрушение.
1
•Пластические деформации происходят либо скольжением одного слоя атомов по другому, либо двойникованием. При двойниковании все слои, расположенные по одну сторону от некоторой плоскости кристалла переместятся каждый относительно соседнего, а ниже этой плоскости никаких перемещений не будет (рис. 3.1).
2
.
1
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
б |
||
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 3.1. Пластическая деформация, происходящая посредством двойникования: а – характер деформации образца; б – дискретная карти-
на, 1 – плоскость двойникования
3
•Деформации и разрушение монокристаллов
•Критерий скольжения = с, где τс – напряжение, при котором происходит скольжение, τ – напряжение, возникающее в монокристалле и определяемое по формуле
= FP cos cos .
•Р – сила, растягивающая монокристалл; F – площадь поперечного сечения образца; ψ – угол между нормалью к плоскости скольжения о осью образца; λ – угол между направлением скольжения и осью образца.
4