Материал: Физическая химия силикатов и других тугоплавких соединений.

плоскостей удалось наблюдать в кристаллах некоторых веществ под электронным микроскопом с большим разрешением (рис. 22). Следует отметить, что наблюдать линии дислокации в кристаллах можно и под обычным микроскопом, используя так называемый ме­ тод декорирования дислокаций. Посторонние атомы введенного в

кристалл примесного вещества имеют тенденцию концентрировать­ ся в дефектных областях кристалла и, в частности, у края обор­ ванных плоскостей, т. е. вдоль линии краевой дислокации. Их скоп­

ных монокристаллов, т. е. их ре­ альная прочность, оказываются в 102... 104 раз меньше рассчитан-

ных теоретически. В настоящее время доказано, что причина высо­ кой пластичности и пониженной прочности заключается в сущест­ вовании в реальных кристаллах легко подвижных дефектов — дис­ локаций.

Чтобы в идеальном кристалле без дислокаций под влиянием внешней силы произошла пластическая деформация, т. е. сдвиг вдоль какой-то плоскости скольжения, необходим одновременно разрыв всех атомных плоскостей по всей плоскости скольжения. Для этого требуются большие усилия, что равносильно высокой прочности идеальных кристаллов. Иной механизм разрушения име­ ет место в реальных кристаллах, содержащих дислокации. Сущ­ ность его сводится к тому, что при наличии краевой дислокации сдвиг одной части кристалла по отношению к другой происходит не за счет одновременного разрыва всех атомных связей в плоско­ сти скольжения, а путем постепенного (эстафетного) разрыва от­ дельных связей в ходе движения краевой дислокации скольжени­ ем, на что не требуется больших усилий. После того как начальные дислокации под влиянием небольших усилий начнут перемещать­ ся, их движение ускоряется, число возрастает (размножение дис­ локаций), что приводит в конечном итоге к пластической деформа­

ции кристалла. Следствием указанного механизма разрушения яв­ ляется пониженная прочность реальных кристаллов по сравнению с идеальными.

Известно, что увеличение температуры повышает пластичность любого материала. Это влияние также во многом связано с пове­ дением дислокаций: при увеличении температуры уменьшаются на­ пряжения, необходимые для движения дислокаций, и, кроме того, облегчается их способность к движению переползанием в другие плоскости скольжения, в результате чего скольжение начинает происходить по многим плоскостям. В MgO, например, напряжение, необходимое для движения дислокаций по плоскости (100) при комнатной температуре, в 50 раз больше, чем по плоскости (ПО), а при 1000°С эта разница снижается до 2—3 раз.

Изменяя тем или иным образом число и свойства дислокаций, можно влиять на прочность кристаллических тел. Прежде всего можно предполагать, что кристаллы, имеющие минимальное число

некоторых веществ, свободные от дислокаций, испытывают при на­ грузках лишь упругие деформации и в сотни, даже тысячи раз прочнее обычных кристаллов. Даже при повышенных температу­ рах кристаллы без дислокаций не испытывают пластических де­ формаций. Прочность нитевидных кристаллов приближается к тео­ ретической прочности порядка десятков тысяч МПа. Так, например, получены нитевидные кристаллы MgO диаметром 1...3 мкм с пре­ делом прочности, приближающейся к 25-103 МПа. В настоящее время получены нитевидные кристаллы разнообразных соединений: металлов, графита, сульфидов, карборунда, оксидов (MgO, ВеО, AI2O3 и пр.) и т. д. Получение сверхпрочных нитевидных кристал­ лов имеет большое промышленное значение. Армирование этими кристаллами других материалов позволяет получать высокопроч­ ные конструкционные материалы, обладающие часто высокой огне­ упорностью и химической стойкостью.

Однако получение кристаллов без дислокаций — не единствен­ ный путь упрочнения материалов. Оказывается, что повышенной прочностью обладают не только кристаллы без дислокаций, но и кристаллы с повышенной плотностью дислокаций. Например, дав­ но известен метод упрочнения металлов за счет их механической об­ работки (ударные нагрузки) в холодном состоянии («наклеп» ме­ таллов). В результате пластической деформации при «наклепе» плотность дислокаций резко увеличивается, а прочность повыша­ ется. Это объясняется тем, что отрицательное влияние на проч­ ность материала обусловливается не самим присутствием дислока­ ций, а их способностью к передвижению. Если эту способность ка­ ким-либо образом ограничить, прочность материала повысится.

Существует несколько возможностей торможения движения дис­ локаций. Одним из них является уже упомянутый способ увеличе­ ния плотности дислокаций в результате пластической деформации,

98

вызываемой механической обработкой данного материала. Этот ме­ тод основывается на том, что при увеличении числа дислокаций перемещение данной дислокации в плоскости скольжения, прони­ занной многими другими дислокациями, сильно затруднено. Дру­ гим способом торможения движения дислокаций является их за­ крепление путем растворения в материале посторонних атомов (что используется, например, при легировании металлов) или вве­ дения мелких частиц другой фазы. В первом случае торможение объясняется тем, что растворимость и, следовательно, концентра­ ция инородных атомов вблизи дислокаций всегда выше, чем в не­ искаженной части кристалла. Чтобы оторвать дислокацию от «об­ лака» растворенных атомов, необходимо затратить определенную энергию. Поэтому для пластической деформации кристалла, в ко­ тором дислокации закреплены «облаками» растворенных атомов, требуются более высокие напряжения, что равнозначно упрочнению материала. Наличие мелкодисперсных частиц другой фазы в мате­ риале (например, карбида железа в железе) также тормозит дви­ жение дислокаций, ибо требует дополнительной энергии, чтобы дис­ локация при движении могла «прорваться» между частицами.

Следует отметить, что методы, основанные на торможении дви­ жения дислокаций, повышая прочность кристаллических тел, не позволяют, однако, приблизиться к теоретической прочности. Наи­ более радикальным в этом отношении остаются методы получения бездефектных кристаллов, не содержащих дислокаций.

Для технологии производства различных материалов важным процессом, сильно зависящим от наличия в кристаллах дефектов типа дислокаций, является процесс роста кристаллов.

Теоретические расчеты показывают, что идеальный бездефект­

(порядка 25... 50%). Однако реальные кристаллы растут с доста­ точно большой скоростью даже при ничтожных (в тысячи и более раз меньших, чем рассчитанные теоретически) пересыщениях. В настоящее время это объясняется наличием в кристаллах винто­ вых дислокаций. Рассмотрим механизм роста идеального кристал­ ла и кристалла, содержащего винтовую дислокацию.

Чтобы на грани идеального кристалла с параллельными атом­ ными плоскостями мог образоваться новый атомный слой (что рав­ носильно росту кристалла в направлении, перпендикулярном плос­ кости этой грани), на этой грани сначала должен образоваться стабильный двухмерный зародыш нового слоя в виде группы опре­ деленным образом ориентированных атомов, образующих ступень­ ку (рис. 23). Энергия активации этого процесса чрезвычайно ве­ лика, поэтому для образования зародыша нужна очень высокая степень пересыщения раствора или расплава, поскольку ниже оп­ ределенного критического значения пересыщения ( ~25...50%) ве­ роятность его возникновения чрезвычайно мала. После образова­ ния зародыша процесс застройки грани идет значительно легче:

атомы из раствора адсорбируются на поверхности грани, диффун­ дируют по ней и пристраиваются к образованной зародышем сту­ пеньке, обеспечивая образование на грани нового полностью за­ строенного атомного слоя. Необходимо отметить, что для дальней­ шего роста грани на возникшем атомном слое вновь должен обра­ зоваться зародыш нового слоя и так каждый раз, чтобы обеспечить слой за слоем рост идеального кристалла. Поскольку при низких

пересыщениях вероятность образования зародышей ничтожно ма­ ла, то, если бы кристалл рос в этих условиях, его размеры сущест­ венно не изменились бы даже за все время существования Вселен­ ной. Подобный механизм роста может реально реализоваться толь­ ко при очень высоких пересыщениях.

Представим, что в кристалле есть винтовая дислокация, превра­ щающая атомные плоскости в единую винтообразную поверхность, а выход которой на поверхность грани кристалла образует на ней своеобразную ступеньку. Роль этой ступеньки в процессе роста кри­ сталла чрезвычайно велика, поскольку именно она становится за­ родышем нового атомного слоя. Рост кристалла при этом можно представить следующим образом (рис. 24). Атомы из раствора или расплава адсорбируются на грани кристалла, диффундируют по ней по направлению к ступеньке и располагаются вдоль нее, за счет чего последняя достраивается и начинает перемещаться вдоль по­

100