лекции_1 / Лекция 2_Структура твердого тела

Рис. 2.13 Равновесные конфигурации краевых дислокаций с одинаковыми (а) и противоположными (б) векторами Бюргерса. Малоугловая граница разориентации, образованная дислокациями (в).

y

x

Рис. 2.14. Малоугловая граница разориентации (а) и ее представление в виде дисклинационного диполя

(б).

конечной длины, определяемой флуктуационными характеристиками исходного дислокационного ансамбля. Известно, что полубесконечная дислокационная стенка может трактоваться как частичная дисклинация, ось которой совпадает с границей стенки. Соответственно, конечная дислокационная стенка представляет собой дисклинационный диполь (рис.2.14,а,б). Таким образом, результатом развития неустойчивости дислокационного ансамбля является формирование дисклинационного ансамбля, схематически изображенного на рис.2.15,а. При этом на линии, связывающей дисклинации диполя (направление x на рис.2.14,б), происходит скачок ориентации кристаллической решетки. В то же время, при движении в направлении y ориентация решетки изменяется плавно. Описанную дисклинационную структуру, следовательно, можно отнести к “субструктуре с непрерывными и дискретными разориентировками”. Изложенный механизм формирования фрагментированных структур позволяет

объяснить только формирование границ наклона и, в случае “оборванных границ”, клиновых дисклинаций, поскольку устойчивость таких границ обусловлена низкой энергией краевых дислокаций, выстроившихся в стенки. Формирование границ, состоящих из винтовых дислокаций, является одним из важных и нерешенных вопросов теории дисклинационных структур. Возможно, ключом к решению данной задачи является замкнутый характер дислокационных линий в кристаллах. Упорядочение краевых сегментов замкнутых дислокационных петель в силу чисто геометрических ограничений неизбежно должно приводить к определеному упорядочению также и их винтовых сегментов.

Поскольку подвижность дисклинаций в кристаллах крайне мала, понижение энергии дисклинационного ансамбля может произойти только в результате “достройки” недостающих в структуре на рис.2.15 малоугловых границ разориентации, как показано на рис.2.15,б штриховыми линиями. Ввиду случайного расположения дисклинаций, количество дислокаций, необходимых для такой достройки, равно количеству дислокаций, образующих исходную дисклинационную структуру. Это означает, что формирование фрагментированной субструктуры с дикретными разориентировками закончится при достижении плотностью дислокаций значения

что находится в полном соответствии с экспериментальными результатами. Соответственно

Рис. 2.15. Дисклинационная структура, образующаяся в результате развития неустойчивости дислокационного ансамбля (а) и ее перестройка во фрагментированную структуру с дискретными разориентировками путем достройки недостающих (изображенных пунктирными линиями) малоугловых границ разориентации (б).

Характеристическая длина (2.14) определяет не только предельный масштаб фрагментированной субструктуры, но и величину частицы износа, размеры которой, согласно, соответствуют толщине зоны с пониженной концентрацией дислокаций. Кроме того, из выражения (2.14) следуют, критические размеры малых частиц, тонких слоев (в том числе поверхностных слоев масивных образцов) и нитевидных кристаллов, ниже которых названные объекты являются бездислокационными. Действительно, на единицу длины дислокации, расположенной параллельно свободной границе упругого континуума на расстоянии x0 от нее, действует сила

Если эта сила больше силы трения (2.9), то дислокация будет “вытолкнута” из кристалла. Получаемая из этого уравнения критическая толщина имеет то же аналитическое выражение, что и rcr(2) . Малые

частицы и нитевидные кристаллы с размером меньше rcr(2) должны быть совершенно свободны от

дислокаций. Это подтверждается исследованиями структуры измельченных в вибрационных мельницах металлических порошков, когда размер частиц составляет 0,1 - 0,01 мкм. В таких частицах почти нет дислокаций, а вероятность появления новых невелика из-за малых размеров частиц.

Что касается тонких слоев, то можно утверждать только, что последние не содержат дислокаций, линии которых параллельны плоскости слоя (или близки к этой ориентации). Дислокации же перпендикулярные плоскости слоя устойчивы.

Электронно-микроскопические исследования структуры поверхностных слоев показали, что фрагментирование поверхностного слоя трения сопровождается текстурированием. Рассмотрим возможный механизм формирования текстуры поверхности трения. Отмеченное свойство тонкого (субмикронного) поверхностного слоя, заключающееся в отсутствии дислокационных линий, параллельных плоскости поверхности, означает, что поверхностный слой не имеет разориентировок с осью, лежащей в плоскости слоя. Вместе с тем в нем возможны азимутальные разориентировки в плоскости слоя. Уже это обстоятельство говорит о формировании определенной поверхностной текстуры. Что касается конкретной кристаллографической ориентации поверхностного слоя, она определяется минимумом поверхностной энергии кристалла. Поверхностное натяжение анизотропного тела - кристалла, различно для различных его граней. Оно, таким образом, является функцией от направления грани (т.е. индексов Миллера). Наименьшая свободная энергия реализуется при малых индексах Миллера.

Допустим, что свободная поверхность материала не соответствует плоскости плотной упаковки атомов (рис.2.16,а). Ее можно представить себе как “стенку поверхностных дислокаций” (рис.2.16,б) - ступенек на поверхности, плотность которых тем больше, чем больше отклонение поверхности от направления, соответствующего плотной упаковке. Выход на поверхность дислокаций того же знака, что и на рис.2.16, приводит к увеличению числа ступенек, а, следовательно, и к увеличению поверхностной энергии, в то время как выход дислокаций противоположного знака приводит к аннигиляции ступенек и к понижению свободной энергии. Это означает, что в анизотропной среде сила взаимодействия краевой дислокации со свободной поверхностью, с учетом анизотропии поверхностного натяжения, отличается от величины (2.15) и зависит от знака дислокации. Различие сил взаимодействия с поверхностью должно приводить к преимущественному выходу на поверхность в процессе пластической деформации краевых дислокаций, понижающих свободную энергию и тем самым оказывающих ориентирующее действие на поверхностный слой.

Рис.2.16. Схематическое изображение поверхности кристалла с ориентацией, отличающейся от направления, соответствующего плотной упаковке атомов (а) и ее представление последовательностью “поверхностных дислокаций” (б).

Таким образом, характерный размер фрагментов, образующихся в результате пластических деформаций при трении, связан с достижением дислокационной плотностью критического значения, выше которого силы междислокационного взаимодействия превышают силы внутреннего трения.

Следует добавить, что износ при трении зависит от субструктуры поверхности. Размер элементарных фрагментов разрушения ( 10 нм) считается адекватным размеру микроконтактов, на которых реализуется адгезионное взаимодействие. Усталостная теория получает физическое обоснование фрагмента разрушения в результате накопления структурных повреждений дислокационного характера и образования микротрещин по границам сетки фрагментированного поверхностного слоя. Механизм отделения элементарных фрагментов является адгезионным и реализуется в первую очередь за счет среза материала с меньшей когезионной энергией.

3.2. Неметаллические твердые тела

Неметаллические твердые тела объединяет то, что они гораздо хуже проводят электричество, чем металлы. Кроме того, неметаллы отличаются от металлов по своим физико-механическим свойствам. Например, углерод в форме графита – хороший проводник тепла и электричества, но, в отличие от металлов, хрупкий и не куется. Неметаллы могут существовать в различных модификациях, отличающихся своим строением. Так, углерод известен в виде графита, алмаза и других форм, фосфор – в белой, красной, чёрной и других формах.

Модификации, имеющие молекулярное строение – обычно легкоплавкие, летучие, хорошо растворяются в неполярных органических растворителях: белый фосфор P4, жёлтый мышьяк As4, ромбическая сера S8, красный селен Se8.

Более прочны немолекулярные модификации. В серых селене и теллуре система химических связей распространяется в одном пространственном измерении (D=1), в графите, чёрном фосфоре и сером мышьяке в двух измерениях (D=2), в алмазе, кремнии и боре в трех (D=3). Увеличение D способствует снижению химической активности. Химическая связь в простых неметаллах: ковалентная, так как их атомы обладают высокой электроотрицательностью. Электроны соседних атомов создают общую электронную пару, а в пространстве между ядрами создаётся область повышенной электронной плотности.

Наибольшее распространение в узлах трения получил графит. Его высокая теплостойкость и химическая стойкость (при комнатной температуре практически ко всем химическим реагентам), низкая плотность, биологическая совместимость, позволяют достаточно широко применять углерод в качестве подшипников скольжения. Благодаря низкому коэффициенту трения без смазки по металлам (<0,2), который может быть снижен до 0,05, графит является широко распространенным антифрикционным материалом. Природа смазочной способности графита объясняется слоистым строением (рис. 2.17), что обеспечивает легкое скольжение слоев друг по другу. В последние годы в теории углеродных материалов получили развитие представления, в основе которых лежит явление адсорбции атомов и молекул из окружающей среды к базисным поверхностям углерода и локализации их на участках фактического контакта. В результате легкой миграции адсорбированных атомов снижаются силы трения.

Антифрикционные углеродные материалы изготавливают из непрокаленного нефтяного кокса, каменноугольного пека с добавкой природного графита. Для получения плотного непроницаемого антифрикционного материала применяют пропитку его металлами. Углеродные антифрикционные материалы химически стойки во многих агрессивных газовых и жидких средах. Они стойки почти во всех кислотах (до температуры кипения кислоты), в растворах солей, во всех органических растворителях и ограниченно стойки в концентрированных растворах едких щелочей.

Рис. 2.17. Слоистое строение графита