Кристаллы в природе (стр. 8 из 19)

В результате травления на поверхности кристалла появляются ямки, свидетельствующие о наличии дислокации в этом месте. Ямки рассматривают в обычный оптический микроскоп. Этот метод используют для определения плотности дислокаций. На рисунке 26 представлена схема фотографии травления чисто отполированной поверхности германия.

рис. 26

Интересен также метод моделирования процессов, связанных с взаимодействиями дислокаций. Для этого используют пузырьковую модель кристалла. Такую модель получают выдуванием через мыльный раствор воздушных пузырьков диаметром от 1 до 2 мм. При определённых способах приготовления раствора и выдувания пузырьков можно получить модель совершенной кристаллической структуры (рис27). Производя в этой модели некоторые возмущения, моделируют дефекты и процессы, связанные с ними (рис28).

рис.27 рис. 28

4.6. Влияние дислокации и других дефектов на механические свойства материалов и на процесс деформирования

Изучение дефектов кристаллов имеет важное практическое значение, так как механические свойства твёрдых тел, их пластичность, сопротивление деформированию связаны с дислокациями и другими дефектами в кристаллах.

Экспериментальное изучение механических свойств материалов показывает, что чистые металлы в большинстве являются мягкими и пластичными. Пластичность кристаллов, их относительно малая прочность определяется возникновением дислокаций в процессе роста кристалла. При группировке точечных дефектов образуются микротрещины. Хрупкое разрушение происходит в том случае, если пластическое течение затруднено в виду затруднения дислокаций микротрещинами и другими дефектами, присутствующими в исходном состоянии и возникающими в процессе деформации.

В практике обращает на себя внимания и такой вид разрушений, как усталостное. Усталость-это вид разрушения материала, происходящих в течение продолжительного времени под действием периодически изменяющихся нагрузок при таких напряжениях, которые не приводят к разрушению при статических нагрузках.

В настоящее время хорошо известны основные особенности усталости и меры, которые должны быть приняты для предотвращения её появления. Острые надрезы и переходы на поверхности, отверстия под заклёпки, царапины, коррозия приводят к заметному снижению усталостной прочности машин. Хорошее качество поверхности и защита от коррозии способствует увеличению сопротивления усталости. Однако, несмотря на наличие таких эффективных средств исследования, как электронная микроскопия, многое в механизме усталости остаётся неясным. Усталость является особенно серьёзной проблемой для металлов и сплавов, так как эти материалы широко используются в машинах и конструкциях, подвергающихся действию периодически меняющихся нагрузок.

Итак, на прочность кристаллических материалов влияют дислокации, их движение и взаимодействие, а также другие дефекты, встречающиеся в кристаллах.

4.7. Повышение прочности материалов

Дислокации и их движение оказывают большое влияние на прочность материалов, снижая их сопротивление деформированию, делая их пластичнее. Однако взаимодействие дислокаций между собой, а также с препятствиями другой природы уменьшает подвижность дислокаций. Это приводит к уменьшению пластичности и к повышению прочности материалов. Можно графически представить влияние дислокации на сопротивление сдвигу (рис29).

рис. 29

Здесь по оси абсцисс отложена плотность дислокаций, а по ординате -сопротивление сдвигу. Минимальное сопротивление сдвигу определяется некоторой критической плоскостью дислокации р_кр, приближённо оцениваемой 10⁷-10⁸ см ^-2. из анализа этой кривой следует, что можно повышать прочность, повышая плотность дислокаций. Этот способ повышения прочности называют наклёпом. При наклёпе в результате взаимодействия дислокаций их дальнейшее движение затрудняется. Наклёп проводят, накатывая заготовку между валками. Валки оказывают на заготовку большое давление и раскатывают её в плоские листы. В результате этого увеличивается число дислокаций, а следовательно у этих листов повышается сопротивления пластической деформации.

Если продолжить анализ кривой, то можно сделать вывод, что прочность можно повысить и другим способом, уменьшая плотность дислокаций, приготовляя образцы металлов в виде очень тонких нитей (толщина 2-10мм), так называемых усов, удалось поднять прочность в чистой меди, например, до 7*10⁹н/м², против реальной величины сопротивления сдвигу 10⁵ н/м².

Таким образом, изучение структуры твёрдого тела и улучшение на этой основе тех или иных механических свойств материалов в зависимости от их

практического назначения приводят к качественному изменению самих материалов, к прочности и долговечности конструкций и машин.

Электрические и магнитные свойства твёрдых тел

V. Электрические свойства твёрдых тел

По способности проводить электрический ток все вещества в природе условно делят на три основных класса: проводники, полупроводники и диэлектрики.

5.1. Классическая электронная теория электропроводности металлов

Если металлическую пластинку, вдоль которой течет постоянный электрический ток, поместить в перпендикулярное к ней магнитное поле, то между гранями, параллельными направлениям тока и поля возникает разность потенциалов U=j₁-j₂. Она называется Холловской разностью потенциалов.

Основная идея этой теории состоит в том, что электроны в металле свободны и образуют своеобразный электронный газ, подобный идеальному газу.

При столь большой концентрации электронов их взаимодействие между собой, как и с ионами решётки металла, очень велико. Однако средняя сила, действующая на каждый электрон со стороны всех остальных электронов и ионов, равных нулю, и поэтому в известном приближении такой электрон можно рассматривать как свободный, который взаимодействует с ионами решётки только при упругих соударениях. Следовательно, электронный газ, подобно идеальному газу, обладает лишь кинетической энергией mv²_T/2=3/2kT, где m - масса электрона; v²_T - средняя квадратичная скорость его движения; k -постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура. Это выражение позволяет определить среднюю квадратичную скорость теплового движения электрона:

V_T=√v²_T=√3kT/m.

Хаотическое тепловое движение электронов и непрерывные столкновения с ионами кристаллической решётки приводят к тому, что нельзя указать преимущественного направления движения заряда - в проводнике нет электрического тока. Следовательно, ток может появиться лишь при наличии электрического поля, сообщающего всем электронам некоторую добавочную, «дрейфовую» скорость, направленную вдоль поля.

Одним из успехов классической электронной теории является также объяснения связи между электропроводностью металлов и их теплопроводностью. Действительно, обладая энергией теплового движения, электроны проводимости участвуют в переносе тепла в металле, и, чем выше концентрация электронов, от которой зависит электропроводность, тем больше и теплопроводность металла. Прямая пропорциональная зависимость электропроводности и теплопроводности была установлена опытным путём И.Видеманом и Р.Францем ещё в 1853г. Открытый ими закон имеет вид: x/γ=AT, х - коэффициент теплопроводности; Т- абсолютная температура; А-константа. На основе электронной теории Лоренца вычислил величину этой константы.

В 1901 г. Физик Э.Рике поставил следующий опыт. Через три металлических цилиндра (медный, алюминиевый, медный), одинакового радиуса, которые плотно соприкасались друг с другом хорошо отшлифованными торцевыми поверхностями, в течении очень долгого времени пропускали ток. При этом через цилиндры прошёл заряд 3,5*10 ^-6к. тщательное взвешивание цилиндров до опыта и после него показало, что масса их не изменилась. Это позволило установить, что электропроводность металлов обусловлена перемещением таких заряжённых частиц, которые являются общими для всех металлов.

В 1912 году советские физики Л.И.Мандельштам и Н.Д.Папалекси на опыте по наблюдению инерционного движения заряжённых частиц в металлическом проводнике подтвердили, что в металле имеются такие частицы, которые слабо связаны с кристаллической решёткой.

В 1916 году американские физики Толмен и Стюарт, применив чувствительный гальванометр вместо телефона, показали, что частицы, образующие инерционный ток при торможении катушки, имеют отрицательный электрический заряд, а также вычислили удельный заряд этих частиц e/m. Они получили 4,8*10¹⁷ед., что оказалось близким к значению удельного заряда электрона, вычисленному в опытах по отклонению пучка электронов в электрических и магнитных полях. Таким образом, в работах Толмена и Стюарта электронная теория проводимости металлов получила строгое экспериментальное обоснование.

Однако было обнаружено, что основная идея этой теории - наличие в металле электронного газа, подобно идеальному, - находится в противоречии с некоторыми опытными фактами.

Молярная теплоёмкость металла, вычисленная на основе электронной теории, должна быть равна 37,5дж/(моль*град), а та же теплоёмкость, полученная экспериментально,- 25 дж/моль*град. Такой же результат можно получить и теоретически, если предположить, что электронный газ не обладает теплоёмкостью. Подобное предположение выглядит очень странным, так как согласно электронной теории температура металла определяется не только энергией колебания атомов в решётке. Но и энергией движения электронов.