Что же такое деформация твердого тела? Всякое твердое тело деформируется следующим образом: сначала, при небольшом усилии, деформация идет упруго, затем начинается деформация пластическая . Упруго –это значит, что после того, как внешняя сила убрана, тело полностью восстановит свою изначальную форму, все следы деформации исчезнут. Пластически – это значит, что изменения останутся.
Так же, как правило, деформируется поликристалл, если он вообще способен деформироваться.
Но монокристалл и тут ведет себя особенно, из-за своей анизотропии. Даже и при упругой деформации кристалл далеко не всегда деформируется так, как вы хотите. Вы его сжимаете, а он сдвигается в сторону; хотите сдвинуть, а он не только сдвигается, но и растягивается. Если же вы доводите деформацию до пластической, то кристалл вообще начинает проявлять «свой характер». И с этим надо считаться, если вы хотите деформировать кристалл.
Пластическая деформация кристаллов чаще всего происходит путем скольжения: отдельные слои кристалла соскальзывают параллельно друг другу, как карты в колоде. Это не отдельные атомные слои, а «пачки» атомных слоев параллельных друг другу.
Пластическое скольжение происходит отнюдь не в том направлении, в котором приложена сила, а только по определенным плоскостям и в определенных направлениях, заданных структурой кристалла. Обычно это те плоскости, в которых атомы упакованы плотнее всего. Оно и понятно: если атомная плоскость скользит параллельно самой себе, то движение ее легче идет там, где расстояние между атомами самое маленькое, короче всего переход от одного атома, к другому такому же.
Конечно и анизотропия деформации, и выбор плоскостей скольжения определяется структурой кристалла.
Вопрос о прочности кристаллов всегда вызывал интерес у ученых. Первым из ученых расчеты на прочность кристаллов были сделаны в 1924 г. советским физиком-теоретиком Я. И. Френкелем. Расчеты прочности различных кристаллических структур были сделаны, однако на практике оказалось, что расчетная прочность кристалла в тысячи раз больше реальной прочности. Френкель оказал огромную услугу проблеме прочности кристаллов, вскрыв кричащее противоречие между теорией процесса скольжения и результатами эксперимента.
Представьте себе, что воздвигнуто стройное высотное здание, каркас которого сложен из стальных балок. Но одна из балок попалась бракованная, надрезанная, надломанная. Чем определить прочность всего здания? Конечно ее «слабым местом» – надломленной балкой, из-за которой может начаться сдвиг и разрушение всей постройки.
Вот такие слабые места, как оказалось, неизбежно существуют в каждом кристалле. Сначала их так и называли «слабые места» или «места разрыхления», однако позже стали называть дислокациями . Сначала ученые лишь предположили их существование, затем убедились на опыте, а затем научились управлять.
Итак, дислокация – это нарушение правильности расположения атомов в структуре вдоль определенной линии.
Представьте себе, что в серии параллельных плоскостей решетки одна из плоскостей недостроена, не кончена: это уже не плоскость, а полуплоскость. Край такой оборванной плоскости образует краевую дислокацию.
Достаточно разорвать одну связь между атомами рядом с дислокацией – и дислокация (край оборванной плоскости) передвинется на одно междуатомное расстояние, а связь между атомами за ней восстановится. Разорвется следующая связь – оборванная плоскость передвинется дальше на один шаг. Так, шаг за шагом, перемещаясь путем поочередного разрыва по одной связи, дислокация перейдет через весь кристалл. А в результате атомная плоскость переместится на один междуатомный шаг. Итогом этого перемещения будет сдвиг одной половины кристалла относительно другой его половине, т.е. пластическое скольжение.
Очевидно, кристалл, в котором есть дислокация, деформировать гораздо легче, чем идеально построенный кристалл, - ведь здесь не надо разрывать все атомные связи, достаточно осуществлять работу разрыва последовательно по одному ряду связей.
Данное явление очень ярко можно прокомментировать с помощью модели «ковра». Ковер лежит на гладком полу: перемещать такой ковер по полу, если он к полу прилегает плотно, -дело нелегкое: площадь соприкосновения ковра с полом велика, ковер тяжелый, и усилия для его смещения понадобятся немалые. А вот если поперек ковра имеется узкая складка, вдоль которой ковер отделен от пола, переместить ковер можно существенно меньшими усилиями. Они нужны лишь для того, чтобы разгладить складку. Когда складка пройдет через весь ковер, он сместится на ширину складки. Складка –это легкоподвижный дефект в системе «ковер – пол», так как в области складки ковер не соприкасается с полом.
Аналогично ковру со складкой, одна из тех атомных плоскостей кристалла, которые ориентированы перпендикулярно плоскости скольжения, обрывающаяся на этой плоскости, должна перемещаться легче прочих.
Итак, почему же реальная прочность кристаллов оказалась намного меньше теоретической? Теоретической прочностью обладал бы кристалл, если бы он был построен безукоризненно, идеально правильно. На самом же деле, в реальном кристалле всегда есть отступления от порядка, нарушения расположения атомов. Обладая такими знаниями, человек научился извлекать из данного дефекта кристаллов выгоду.
О некоторых свойствах кристаллов.
Физические свойства кристаллов чаще всего зависят от их структуры и химического строения.
Сначала стоит упомянуть два основных свойства кристаллов. Одним из них является анизотропия , о которой уже упоминалась выше. Под этим термином подразумевается изменение свойств в зависимости от направления. Так, например, если вырезать из кристалла поваренной соли в различных направлениях стержни в поперечным сечением 1мм2 и испытать их на разрыв, то окажется, что они имеют различную прочность.
Вместе с тем кристаллы являются телами однородными. Однородность кристаллического вещества состоит в том, что два его участка одинаковой формы и одинаковой ориентировки одинаковы по свойствам.
Поговорим сначала об электрических свойствах. В принципе электрические свойства кристаллов можно рассматривать на примере металлов, так как металлы, в одном из состояний, могут представлять собой кристаллические агрегаты. Электроны, свободно передвигаясь в металле, не могут выйти наружу, для этого нужно затратить энергию. Если при этом затрачивается лучистая энергия, то эффект отрыва электрона вызывает так называемый фотоэлектрический эффект. Аналогичный эффект наблюдается и в монокристаллах. Вырванный из молекулярной орбиты электрон, оставаясь внутри кристалла, обуславливает у последнего металлическую проводимость (внутренний фотоэлектрический эффект). В нормальных же условиях (без облучения) такие соединения не являются проводниками электрического тока.
Волны света в кристаллах.
Поведением световых волн в кристаллах занимался Эразм Бертолин, он первый заметил, что волны ведут себя нестандартно при прохождении через кристалл. Однажды Берталин зарисовывал двугранные углы исландского шпата, затем он положил кристалл на чертежи, тогда ученый в первый раз увидел, что каждая линия раздваивается. Он несколько раз убедился, что все кристаллы шпата раздваивают свет, лишь тогда Берталин написал трактат «Опыты с двупреломляющим исландским кристаллом, которые привели к открытию чудесного и необыкновенного преломления»(1669г.). Ученый разослал результаты своих опытов в несколько стран отдельным ученым и академиям. Работы были приняты с полным недоверием. Английская Академия наук выделила группу ученых на проверку данного закона (Ньютон, Бойль, Гук и др.). Эта авторитетная комиссия признала явление случайным, а закон несуществующим. О результатах опытов Берталина было забыто.
Лишь через 20 лет Христиан Гюйгенс подтвердил правильность открытие Берталина и сам открыл двупреломление в кварце. Многие ученые, в последствии занимавшиеся этим свойством подтвердили что не только исландский шпат но и многие другие кристаллы раздваивают свет.
Не раздваивают свет кристаллы высшей категории такие как алмаз каменная соль, квасцы, гранаты, флюорит. У них ведь вообще анизотропия многих свойств проявляется слабее чем в остальных кристаллах а некоторые свойства изотропны. Во всех кристаллах низшей и средней категорий, конечно если они прозрачны наблюдается двойное преломление света.
Рис.1
Воздух Воздух
 |
 |
Стекло Кристалл
Преломление возникает из-за различия скорости света в разных средах.. Так в стекле скорость света в 1,5 раза меньше, чем в воздухе, следовательно коэффициент преломления равен 1,5.
Причиной двупреломления является анизотропия скорости света в кристаллах. В изотропной среде волны расходятся во все стороны одинаково, как бы по радиусам шара. Не так в кристаллах. И световые и звуковые волны расходятся в них не кругами, и скорость этих волн , а значит и показатели преломления, в разных направлениях различны.
Представим, что в кристалле луч света раздваивается, один ведет себя как «обыкновенный», т. е. идет во все стороны по радиусам шара, другой - «необыкновенный» - идет по радиусам эллипсоида. В таком кристалле существует одно-единственное направление, в котором двупреломления нет. Обыкновенный и необыкновенный лучи идут вместе, луч света не раздваивается. Оно называется оптической осью. Так ведут себя по отношению к свету кристаллы средней категории, поэтому их называют оптически одноосными . В кристаллах низшей категории свет тоже испытывает двойное преломление, но уже оба луча ведут себя как необыкновенные, у обоих показатели преломления во всех направлениях разные и оба распростроняются по радиусам эллипсоида. Кристаллы низшей категории называются оптически двуосными . Кристаллы высшей категории, где свет расходится по радиусам шара во все стороны одинаково, называются оптически изотропны .
Проходя через двупреломляющий кристалл, волна света не только раздваивается, но каждый из образованных лучей еще и поляризуется, раскладываются на две плоскости перпендикулярных друг другу. Является ли поляризация причиной двупреломления?
Представим себе вспаханное поле, разложим его по двум главным направлениям: вдоль и поперек борозд – естественно, что вдоль борозд идти проще, чем поперек. Теперь попробуем тащить по вспаханному полю вкось какой-нибудь предмет. Мы заметим, что предмет будет двигаться не ровно, то скользя вдоль борозд, то перескакивая поперек них. Явно видно, что движение предмета как бы разлагается на два перпендикулярных движения, притом с разными скоростями.
Волна ведет себя подобным образом, ведь она должна пройти сквозь атомную решетку, ряды которой лежат перед ней, как борозды на пашне. И она поэтому распадается в кристалле на две волны.,у которых плоскость колебаний взаимно перпендикулярные. Скорость этих волн в кристалле различны, как различны скорости хода вдоль борозд и перпендикулярно им А раз различны скорости значит и показатели преломления различны, в результате волны разойдутся как это показано на рисунке 1.
Как видно из вышесказанного, явления поляризации света и двупреломления тесно связаны друг с другом.
Как растут кристаллы.
Еще Стенон писал, что на наружные плоскости ранее ограненного кристалла осаждается новое вещество. Частицы (атомы, ионы, молекулы) из раствора, пара или расплава оседают на гранях кристаллического зародыша, продолжая его рост слой за слоем. Теоретически кристаллизация должна начинаться при перенасыщенности раствора на 30-50%. Эти цифры были рассчитаны учеными в двадцатые – тридцатые годы нашего столетия. Однако на практике кристалл может расти и при малой пересыщенности раствора. Еще одна несостыковка имеет место быть при сравнении теории с практикой. Долгое время ученые считали, что кристалл растет подобно кирпичной кладке: пока недостроен предыдущий ряд, новый не строится. Естественно атому легче осесть на плоскость «зацепившись» за находящийся рядом атом, но, когда ряд достроен и плоскость не нуждается в новых частицах, куда деваться «вновьприбывшему» атому? Считалось, что он отскакивает обратно в среду, из которой выпал. Тогда рост кристалла прекратился бы уже после построения первой грани. Как же происходит на самом деле?
В 1948 году английский кристаллограф Франк выдвинул остроумную догадку: Кристалл растет не параллельными слоями, не как кирпичная кладка, а подобно винтовой лестнице или спирали. Кристалл при росте как бы накручивается сам на себя, все время продвигая вперед одну и ту же ступень. На выходе этой ступеньки на грани кристалла как бы заготовлена уютная «посадочная площадка» для каждой вновь присоединяющейся частицы. И хитрость здесь в том, что частицы, оседая, присоединяются к ступеньке, а ступенька не зарастает, только число оборотов в винтовой лестнице увеличивается, и грань, продвигаясь вперед, непрерывно растет. Именно так, по представлению Франка, в некоторых местах в кристалле нарушено правильное чередование атомных слоев: атомные слои не параллельны друг другу, а закручены в единую винтовую лестницу. Схема такой атомной винтовой лестницы называется винтовая дислокация.
Однако, когда Франк рассказал о своей гипотезе на конференции по росту кристаллов в 1948 г., слушатели с недоверием отнеслись к его теории, ведь в таком случае на грани кристалла должен быть незарастающий выступ, меж тем спокон веков известно, что грани у кристаллов гладкие. И тем не менее Франк оказался прав: на гранях кристаллов действительно имеются спиральные выступы. Оказалось, что тремя годами ранее в 1945 г. в Москве Г. Г. Леммлейн обнаружил, что на зеркально-гладкой, ровной, плоской грани кристалла имеются спиральные ступеньки. Он обнаружил это при помощи росы нанесенной на грань кристалла. Росинки оседают и выделяют каждую неровность на поверхности, тогда в микроскоп ученый и разглядел эти выступы. Найденный им метод был назван «методом росы».
Сегодня уже нет сомнений в том, что именно так растут кристаллы из паров, расплавов и из слабо пересыщенных растворов: рост облегчается тем, что в кристалле есть винтовые дислокации и кристалл растет вдоль дислокации, образуя единую винтовую лестницу из атомных плоскостей.
Атомы блуждают по кристаллу.
Сам факт, что некоторые из атомов в кристаллах блуждают, а не находятся в устойчивом состоянии вызывает долю скептицизма. Ведь всем известно, что в кристаллах атомы расположены в узлах кристаллических решеток и они лишь совершают колебательные движения в пределах не больше междуатомного расстояния. Однако из каждого правила есть исключения. То что некоторые атомы не находятся в узлах кристаллической решетки доказал один из основоположников физики твердого тела, советский физик-теоретик Яков Ильич Френкель.
«Сам механизм перемещений атомов в кристаллах похож на диффузионные процессы или скорее на испарение, только не во внешнюю среду, а во внутреннюю»[6].
“Диффузия - это перенос вещества приводящий к самопроизвольному выравниванию концентрации различных веществ”. Атомы или молекулы сорта А перемещаются туда, где их меньше всего или нет совсем и где больше атомов сорта В, и наоборот. В результате происходит диффузионное перемешивание в газах, жидкостях и твердых телах. При испарении происходит произвольный отрыв единичных атомов вещества от привычных им позиций. Освободившиеся атомы уходят во внешнюю среду. Надо заметить, что скорости как диффузии, так и испарения зависят от температуры, то есть эти процессы термодинамические, чем выше температура, тем больше скорость.
Френкель, в своей статье “О тепловом движении в твердых и жидких телах” проводит аналогию между “внешним” и “внутренним” испарением, т. е. переходом атома (в кристалле) из узла в пространство между узлами. Согласно Френкелю, принципиального отличия между характером теплового движения атомов на поверхности тела и внутри него не существует. Если возможен отрыв атомов вещества от его поверхности, то мыслим так же и срыв атома из положения равновесия внутри тела. Однако мы должны считаться с тем, что в нормальных условиях атомы образуют в основном правильную кристаллическую решетку, и что внутреннее испарени6е может сопровождаться нарушением в правильности расположения атомов.
Предположим, что какой-нибудь атом набравший случайно избыточную энергию, вырывается из клетки, образованной его соседями, как бы “раздвигая” прутья этой клетки, и вылетает из исходного положения равновесия в исходную плоскость. Атомы не занимают всего объема тела, между ними остаются еще свободные промежутки (междоузлия), благодаря которым они оказываются способными совершать колебания. Конечно, если атом внедряется в одно из междоузлий, то он должен несколько потеснить своих новых соседей. Узлы решетки вблизи такого “дислоцированного” атома окажутся смещенными; однако на небольшом расстоянии от этого места восстанавливается правильная структура.
Таким образом, в результате внутреннего испарения один из узлов, именно тот, где ранее находился рассматриваемый атом, окажется вакантным, зато одно из междоузлий занятым. Такой процесс может многократно повторятся с тем же самым атомом. Переходя из одного междоузлия в другое, дислоцированный атом может странствовать по всему внутреннему пространству кристалла.
В результате теплового движения некоторые узлы обнажаются, оставаясь вакантными, а некоторые междоузлия заполняются сорвавшимися атомами. Реальный кристалл представляет собой как бы двойной раствор, в котором наряду с “основными” атомами, находящимися в узлах, имеются два типа растворенных частиц: дислоцированные атомы и свободные узлы “вакансии”. Дислоцированные атомы расположены так же, как располагаются посторонние атомы в случае их внедрения в междоузлие. Что же касается вакансий, то они занимают место реальных атомов, т.е. располагаются подобно чужеродным атомам по принципу замещения.
Не только дислоцированные атомы перемещаются по кристаллу, но и вакансии. Освободился один узел, образовалась вакансия, тут же в нее перескочил атом, например из нижнего ряда, на его месте образовался пустой узел, следовательно, вакансия сместилась на один ряд вниз.
Это наиболее общее описание механизма перемещение атома по кристаллу. В настоящее время, существует множество формул и условий, помогающих определить частоту перемещения, направление и другие параметры.
О прочности кристаллов.
Ранее было описано, что кристалл заполнен дефектами. Как же влияют дефекты на прочность кристаллов. О одном, о прочности, мы уже говорили: дефекты понижают прочность, в сотни, тысячи раз. Если к кристаллу приложить внешнюю силу, то атомная постройка начнет разрушаться именно в месте слабины, там, где есть дефект. Дефект - дислокация - начинает двигаться по кристаллу.
Но не так
29-04-2015, 00:48