11. Удельная поверхностная энергия.

Р аботу, которую необходимо затратить для разрушения решетки, т. е. удаления ее частиц друг от друга на расстояние, при котором силы взаи­модействия бесконечно малы, называют энергией решетки.

Высокой энергией обладают вещества с плотной компактной решет­кой. Чем выше энергия решетки, тем выше его твердость, тем труднее его разрушить. Большую твердость и прочность имеют также твердые тела с большой поверхностной энергией.

Ионы, атомы и молекулы, находящиеся на поверхности, взаимодейст­вуют только с некоторой частью соседних элементов, и часть их энергии остается некомпенсированной. Следовательно, эти частицы, находящиеся на поверхности, по сравнению с теми, что находятся в объеме, обладают избыточной энергией.

Избыточную (свободную) энергию, отнесенную к единице поверхно­сти, называют удельной поверхностной энергией.

Поверхностную энергию измеряют работой, необходимой для образо­вания поверхностного слоя в изотермических условиях.

Теоретическая прочность кристаллических твердых тел, вычисленная различными методами физики твердого тела, составляет:

,(4.2)

где - модуль упругости, Па.

12. Реальная прочность материала.

Реальная прочность твердых тел обычно на 2-3 порядка ниже их тео­ретической прочности. Это объясняется наличием в реальных телах различного рода дефектов. Дефекты тонкой структуры кристаллов можно разделить на шесть основных типов:

- вакантные узлы в решетке;

- постоянные ионы в узлах решеток или в междоузлиях;

- избыточные ионы и положительные дырки;

- экситоны;

- дислокации;

- фононы.

Энергия между атомами твердого тела распределяется неравномерно. При любой температуре в кристалле имеются атомы, энергия которых больше некоторого среднего значения. Такие атомы могут удаляться на значительное расстояние от положения равновесия и даже преодолевать потенциальный барьер, созданный соседними атомами. Такие атомы приобретают способность как бы "испаряться" из своих узлов решетки и "конденсироваться" во внутренних ее полостях. Этот процесс сопровож­дается возникновением вакантного узла (вакансий) и атома в междоузлии (дислоцированного атома). Такого рода дефекты называются дефектами по Френкелю.

Помимо внутреннего испарения возможно полное или частичное ис­парение атомов с поверхности кристалла. В том или другом случае в поверхностном слое образуются вакансии. При замещении вакансии глубоко лежащими атомами она втягивается внутрь кристалла и диффун­дирует по его объему. Такого рода вакансии называются дефектами по Шоттки.

Дефекты по Френкелю и по Шоттки оказывают влияние на многие процессы в кристаллах, а также на их механические свойства.

В настоящее время общепринятой остается дислокационная теория разрушения кристаллических тел, указывающая на то, что деформации в теле происходят в местах нарушения структуры кристаллов и распростра­няются по плоскости сдвига путем последовательного перемещения этого искажения, охватывающего в каждый момент лишь относительно не­большое количество атомов. Искажения такого рода называются дислока­циями. Наиболее распространены в кристаллах краевые, винтовые и смешанные дислокации. Они возникают в процессе роста кристаллов из сплавов и растворов. Источником дислокации в недеформированном кристалле могут служить также скопления вакансий.