Мазмұны Кіріспе І – Тарау; Әдебиеттерге шолу

Атомның ығысқан шамасы кіші, аса үлкен болмағанда болады, сондықтан

Екінші жағынан, ығысу аз болғанда Гук заңы орындалады, яғни

мұндағы, G-ығысу модулі, d – жазықтықтар ара қашықтығы.

(2.5.) және (2.6) қатынастардан мынаны жазуға болады:

(2.6)

Онда (2.7)

Сонымен кристалдың бір бөлігін екінші бөлігінен сырғанататын кернеу ығысу модулінің жобамен оннан біріне тең екен. Атомдар арасындағы байланысты дәлірек есептегенде, алынған нәтиже елеулі өзгеріс бермейді. -ның төменгі мәні G/30-ға тең. Бірнеше кристалдардың теориялық және нақты (эксперименттен анықталған) беріктілігі 2.3.-кестеде көрсетілген.

	тәжірибелі, х106 н/м2	G, х1010 н/м2	теориялық, х103 н/м2
			G/2	G/30
Мыс.................... Күміс.................. Никель............... Темір.................. Магний.............. Мырыш.............. Кадмий..............	1 0,6 5,8 29,0 0,8 0,9 0,6	4,62 2,91 7,80 6,90 1,77 3,78 2,64	7,35 4,55 12,40 11,00 2,80 6,00 4,20	1,54 0,97 2,60 2,30 0,59 1,26 0,88

Бұл шамаларды салыстырғанда кристалдардың нақты ығысуға беріктілігі 3-4 қатарға теориялық есеппен алынған беріктіліктен төмен екендігін көруге болады. Бұл нақты беріктіліктің теориялық беріктілікке сәйкес келмеуінен кристалдағы барлық жазықтықтарда бір мезгілде атомдардың бірінен-бірі ығыспайтындығына алып келеді, әрбір ығысу мерзімінде кристалл бөліктерінің ығысуында барлық атомдар қатыспай, тек аз мөлшердегі атомдар қатысады деген механизмді ұсынған дұрыс деген ойды тудырады. Бұл ұсыныс, яғни атомдардың ығысу механизмі кристалдардың пластикалық ағуына дислокациялық теорияның дамуына алып келді.

Пластикалық ағудың дислокациялық теориясы кристалл құрылымының бұзылған жерінен сырғанау процесі басталып, ығысу жазықтығымен таралады, әрбір уақыт мерзімінде бұл бұзылған жердің орын ауыстыруы үшін аса көп емес атомдарды қамтиды деген көзқарасқа негізделген. Кристалл құрылымының мұндай түрде бұзылуын дислокация деп атайды. Негізгі дислокация түрлерін қарастырайық.

А
Сырғанау (ығысу) векторы

Кристалдың АНЕД бөлігінде ығысу болғандықтан, тордың жоғары жағында бір атом жазықтығына (ОМ жазық) тордың төменгі жағындағыға қарағанда артық болады. Сол себепті ығысу жазықтық үстіндегі 1 атом қатары ығысу жазықтық астындағы 2 атом қатарынан бір атом қатарына артық. «О» нүктесіндегі (дислокация орталығы) жоғарғы жазықтағы атомдар ара қашықтығы нормал ара қашықтықтан кіші (тор сығылған), ал «О» нүктесінің төменгі қатардағы атомдар арасындағы нормал ара қашықтықтан үлкен (тор тартылған) болады. Дислокацияның орталығынан, яғни «О» нүктесінен оңға және солға, жоғары және төмен қозғалғанда тордың бұзылу дәрежесі төмендеп, «О» нүктесінен белгілі бір ара қашықтықта кристалдағы атомдардың торда орналасуы бұрынғы дислокация жоқ кездегі қалпына келеді. Схема жазықтығына перпендикуляр бағытта дислокация барлық кристалдан немесе кристалдың бір бөлігіне дейін өтеді.

Сонымен, сызықты дислокацияның сипаттамасына кристалл торының бір бөлігінде «артық» ОМ атом жазықтығы жатады екен. Сондықтан сызықты дислокацияның пайда болуын торды ығыстырып, қосымша атомдар жазықтығын енгізу процесі деп қабылдауға болады. Бұл жазықтықты экстра-жазықтық деп атайды. Егер атом жазықтығы тордың жоғарғы жағына енгізілсе, онда сызықты дислокацияны оң таңбалы деп (2.8. а-сурет), ал егер қосымша жазықтық тордың төменгі жағына енгізілсе, дислокация теріс таңбалы деп аталады (2.8. б-сурет). Ығысу векторы тордың тұрақтысына тең болса, онда дислокацияны бірлік дислокация немесе бірлік қуатты дислокация деп атайды. Кристал көлденең қимасынан бірлік дислокация өтсе, онда кристалдың бір бөлігі екінші бөлігінен «в» шамасына ығысады. Оң таңбалы дислокацияның солға қозғалуындағы кристалл торы бөлігінің ығысуы теріс таңбалы дислокацияның оңға қозғалғандағы кристалл тор бөлігінің ығысуына сәйкес келеді (2.8. а, б-сурет).



2.9.-сурет

Бұрандалы дислокация. АВСD ауданда вектор бағыты бойынша аяқталмаған бірлік ығысу болды дейік (2.9. а-сурет). АD – ығысудың шегі болсын. Ақ дөңгелекпен сырғанау жазықтықтың үстіндегі атом жазықтығындағы атомдардың орны, ал қара дөңгелекпен сырғанау жазықтықтың астындағы атомдардың орны белгіленген (2.9. б-сурет). Кристалдың деформацияланбаған (торларының ығыспаған бөлігінде) бөлігінде, яғни АD шекараның сол жағында жатқан атомдар бірінің үстіне бірі орналасқан (ақ және қара дөңгелек бір-біріне қосылған). Кристалдың оң жағы, яғни бір атом ара қашықтығына ығысқан жағында ЕН-нен оң жақта орналасқан атом жазықтығындағы атомдарда бірінің үстіне бірі орналасқан болады. Жұқа АДЕН жолақта жоғары жазықтықтағы атомдар төменгі жазықтықтағы атомдардан ығысқан болады және ығысу мөлшері АD шекарадан алшақтаған сайын ұлғая береді. Бұл ығысу ығысқан жерінде локальды торды бұзады, мұны бұрандалы дислокация деп атайды. АD шекараны дислокация осі деп атайды. Бұрандалы дислокация деп аталуын 2.10.-сурет арқылы түсіндіруге болады. а атомнан в, c, d, e, т.б. бұрандалы дислокация қасында қозғалу бұранда сызығы бойымен өтеді (2.10. б-сурет). Сол және оң болып бұрандалы дислокация екіге бөлінеді (2.11.-сурет). Бұрандалы дислокацияның қарама-қарсы бағытта қозғалуы кристалдың бір бағытта ығысуына алып келеді.



2.10.-сурет

Сызықты және бұрандалы дислокацияларды салыстырғанда (2.7.-сурет және 2.9.а-сурет) сызықты дислокация ығысу векторына перпендикуляр, ал бұрандалы дислокация бұл векторға параллель екені, сызықты дислокацияның қозғалуы ығысу векторы бойымен, ал бұрандалы дислокация қозғалуы бұл векторға перпендикуляр қозғалатыны көрініп тұр.

Қазіргі кезде дислокацияларды көретін эксперименталды тәсілдер құрастырылған. 2.11. а-суретте платиналық фталоцианның жұқа пленкасынан, электрон-микроскоп арқылы, түсірілген кескіннің схемалық көрінісі берілген, ал 2.11 б-суретте арнайы тәсілді қолданып, мыс сульфиді кристаллының көрінісі көрсетілген. Бұл суреттегі қара жолақтар атом жазықтықтарының орнын көрсетеді. Платиналық фталоционинаның атом жазықтары 12 А ара қашықтықта, ал мыс сульфидінің ара қашықтығы – 1,88 А. Суретте сызықты дислокацияны құрайтын кристалл ішіндегі экстражазықтар жақсы көрінеді. Бұл суреттердің көрінісі толығымен теория негізінде көрсетілген дислокация көрінісімен (2.7.-сурет) толық сәйкес келіп тұр. Кристалл бетіне дислокацияның шығуын әр түрлі ерітінділер көмегі тәсілімен көруге болады. Арнайы алынған ерітінді бірінші, торы бұзылған кристалл бөлігін ерітеді, себебі ол жер артық энергияға ие. Сондықтан химиялық активтігі жоғары болады. Кристалдың актив бетті дислокацияның кристалл бетіне шығатын жері болады. Мысал ретінде 2.12. -суретте ерітілген германий кристаллы бетінің суреті көрсетілген. Дән шекарасында орналасқан қара дақ нүктелер дислокацияның кристалл бетіне шыққан орнын көрсетеді.

S сырғанау жазықтығында орталығы «О» нүктеде, шегінде «а» және «к» нүктелері бар сызықты дислокация орналасқан дейік (2.13. а-сурет). Тепе-теңдік күйде дислокацияға тордың әсер ететін күші нольге тең. Шынында күштің нольге тең екендігін ролик моделі арқылы түсінуге болады (2.14.-сурет).

Жоғарғы қатардағы, төменгі қатардағы роликтердің ойшығында орналасқан екі роликтің арасында құрылым бұзылған болсын, яғни АВ аралықта бұрын 6 ролик орналасқан болса, енді тек 5 ролик орналасқан. Құрылымның мұндай өзгеруі 1, 2, 4, 5 роликтерді тұрақты тепе-теңдікке алып келуге ұмтылатын күштерді тудырады (Ғ₁, Ғ₂, Ғ₄, Ғ₅). 1, 5 және 2, 4 роликтерге әсер ететін күштер бір-біріне тең (Ғ₁= Ғ₅, Ғ₂= Ғ₄) және бір-біріне қарама-қарсы бағытталған. Сондықтан, егер жоғарғы қатардағы роликтерді серпімді лентамен қоссақ (лента байланыс күштің ролін атқарады), онда Ғ₁ және Ғ₅, Ғ₂ және Ғ₄ күштер бірін-бірі компенсациялайды, яғни жүйе тепе-теңдік күйде болады.

Осы сияқты схема түрде көрсетілген (2.13. а-сурет) жағдай дислокацияда болады: «О» дислокация орталығынан симметриялы орналасқан жоғарғы қабаттағы атомдар арасындағы әсер ететін күштер бір-біріне тең (Ғ_в= Ғ_j, Ғ_c= Ғ_i, Ғ_d= Ғ_n, Ғ_e= Ғ_g ) және бағыттары қарама-қарсы болады (2.13. б-сурет). Сондықтан бұл күштердің қосындысы нольге тең, яғни дислокация тепе-теңдікте болады. Бірақ сырғанау жазықтығында дислокацияның шамалы ығысуы, дислокация орталығынан атомның симметриялы орналасуы бұзылады, соның арқасында дислокацияның қозғалуына кедергі жасайтын күш пайда болады. 2.14.-суретке қарағанда, бұл күш аса үлкен болмауы керек, себебі 1, 2 роликтердің жаңа тепе-теңдік күйге өтуіне 4, 5 роликтер жағынан әсер етеді, яғни олардың жаңа тепе-теңдік тұрақты орынға өту әсерінің астында болады. Есептерге қарағанда, дислокацияны қозғалтуға қажет болған жанама кернеу мынаған тең:

(2.10)

мұндағы, G-ығысу модулі, -Пуассон коэффициенті, в- ығысу бағытындағы атомдар ара қашықтығы, d-жақын орналасқан сырғанау жазықтар ара қашықтығы, ₀-теориядан есептелген критикалық ығыстырушы кернеу. в= d және =0,3 деп есептесек, ₀3·10^-4 G аламыз. Бұл ₀ мәні тәжірибеден анықталған _к-ның мәніне сәйкес келеді. Сонымен дислокация теориясы кристалдың ығысуға беріктілік мәндеріндегі теориялық және практикалық мәндері арасындағы қайшылықты жойды.

Нақты кристалдарға дислокация балқыған кристалдан немесе ерітіндіден кристалдың өсу процесінде пайда болады. Бір-біріне қарама-қарсы өсіп келе жатқан блоктар шекарасы 1.9. а-суретте схема түрде көрсетілген. Блоктар бір-біріне  аса үлкен емес бұрышқа бұрылған. Блоктардың өсу барысында бірнеше атом жазықтары барлық кристалдан өшпей, блок шекараларында қалып қояды. Нақ осы жерде дислокациялар пайда болады (1.9. б-сурет). Поликристалды үлгілерде осы сияқты картиналар әр түрлі ориентацияланған дәндердің өсу кезінде де болады. Нақты қатты денелерде блоктардың және дәндердің өлшемдері өте үлкен болғандықтан (атомдар ара қашықтығымен салыстырғанда), дислокациялардың саны өте үлкен болады. Есептерге қарағанда, жақсы күйдірілген металдарда дислокация тығыздығы 10¹¹-10¹²м^--2. Төменгі температурада (холодная) өңдегенде, яғни прокатка волочения, т.б. жасағанда, дислокация тығыздығы 10¹⁵-10¹⁶м^—2 дейін жетеді. Осы дислокацияларда металды пластикалық деформациялаған кездегі жұтылған энергияның барлығы жинақталады.

Деформацияланбаған кристалдарда жинақталған вакансияларда дислокация көзі ролін атқаруы мүмкін, олардан оң және теріс дислокациялардың пайда болуын схема түрінде былай көрсетуге болады (2.15.-сурет). Сыртқы күштің әсерінен кристалдың пластикалық деформациялануы сырғанау жазықтықтарындағы дислокациялардың қозғалып, кристалл бетіне шығуының арқасында болады. Егер кристалдағы пластикалық деформация тек кристалл ішіндегі дислокациялардың кристалл бетіне шығудың арқасында болса, онда пластикалық деформация бару процесінде кристалл ішіндегі дислокациялар азайған болар еді, соның арқасында кристалл идеал ақауы жоқ (дислокациясы жоқ) күйге айналған болар еді. Бұл жағдай тәжірибе нәтижелеріне қарсы, эксперимент нәтижелеріне қарағанда деформация өскен сайын тордың бұзылу дәрежесі төмендемейді, керісінше өседі, олай болса дислокация тығыздығы да өседі. Сондықтан, қазіргі кезде пластикалық деформацияны жүргізетін дислокация сыртқы әсер ететін күштің арқасында өтетін деформация процесі барысында генерацияланады. Яғни дислокация тығыздығы өседі деген ұғым қабылданған. Бұл генерацияның механизмін 1950 жылы Франк пен Рид ашқан. Бұл механизмді түсіндіру үшін трубкадағы сабын көпіршіктерінің пайда болу процесін қарастырайық (2.16.-сурет).

Трубканың шетін сабын ерітіндісімен майласақ, трубканың шетінде жазық пленка пайда болады, бұл пленка трубка тесігін жабады. Трубка ішіндегі ауаның қысымын ұлғайта бастағанда трубкадағы пленка өсіп, 1, 2, 3, 4, т.б. стадиялардан өтеді. Пленканың формасы жарты сфера болғанға дейін (2 стадия), пленканың күйі тұрақсыз болады: қысым азайған сайын пленка қысқарып, бұрынғы бірінші күйге оралады. Екінші стадиядан өткеннен кейін пленканың күйі өзгереді. Ол қысым тұрақты болғанда ғана емес, қысым жайлап азайғаннан трубкадан бөлініп кеткенге дейін өседі. Бірінші пленканың артынан пленка пайда болады, оның артынан үшіншісі, т.б. пленкалар пайда бола береді.

Енді Франк-Рид көзінің әсерін қарастырайық (2.17.-сурет).



2.17.-сурет

2.17. а-суретте көрсетілген сырғанау жазықтықта орналасқан ДД' сызықты дислокацияны қарастырайық; Д және Д' нүктелер қозғалмайды. Олар дислокацияның қозғалуына қатыспайды. Дислокацияның мұндай бекітілуі екі дислокацияның қиылысқан нүктесінде немесе қоспа атомдарда, т.б. жағдайларда болуы мүмкін. Сыртқы  кернеудің әсерінен сабын пленкасы секілді дислокация иіледі және бір мезгілде жарты шеңбер формасын қабылдайды (2.17. б-сурет). Сабын көпіршігі секілді дислокацияның иілуі әсер ететін кернеудің үздіксіз өсуі барысында болады. Кернеудің  максимал мәні дислокацияның формасы жарты шеңбер болғанына сәйкес келеді. Сондықтан дислокация формасы ары қарай өзінен-өзі дамиды, өсу барысында екі спираль пайда болады (2.17. в-сурет), олар С нүктесінде кездескенде (2.17. г-сурет) дислокациялар сыртқы және ішкі болып екіге бөлінеді. Сыртқысы жабық шеңбер формасында болады, ал ішкісі бұрынғы ДД' орнына оралады (2.17. д-сурет). Сыртқы дислокация кристалдың сыртқы бетіне дейін өсіп, кристалды элементтер шамасына ығыстырады, ал ішкі дислокация бұрынғы ДД' орнын алып,  кернеудің әсерінен тағы да иіліп және жоғарыда айтылған процестер қайталанады. Бұл процесс керегінше сан рет қайталанып, сырғанау жазықтықтарына да кристалдың бір бөлігінің екінші бөлігінен елеулі ығысуына алып келеді.

Ығысуға кристалдардың беріктілігі төмен болуының себебі, бұл кристалдарда баста дислокациялардың болуы және ығысу процесі барысында олар генерациялануымен байланысты. Екінші жағынан, пластикалық деформацияның дамуы және ақаулардың өсуі барысында кристалл беріктелінетіндігі белгілі. Беріктелінудің себебі, дислокациялар бір-бірімен және түрлі ақаулармен әсерлеседі. Сондықтан олар бірінің қозғалуына бірі кедергі жасайды.

Дислокациялардың өзара әсерлесуі. Әрбір дислокация кристалл торын серпімді бұзады, соның арқасында өзінің аумағында жанама () және нормаль () кернеулерге ие күш өрісін тудырады. Бұл өріске басқа дислокация түскенде екі дислокацияны жақындататын немесе бірін-бірі тебетін күш пайда болады. Бір жазықтықта таңбалары бірдей дислокациялар кездессе, олар бірін-бірі тебеді, ал қарама-қарсы таңбалы дислокациялар кездессе, бірін-бірі тартады. Сондықтан әрбір сырғанау жазықтығында дислокацияның жинақталуы кристалдың бір бөлігінің екінші бөлігінен ығысуына кедергі жасайды да, үздіксіз, дислокацияның жинақталу барысында өсіп отырады, сонымен кристалл беріктелінеді.

Дислокацияның тосқауылдан өтуі. Сырғанау жазықтығында жанама  кернеудің әсерінен дислокация қозғалып, қозғалу бағытында қозғалмайтын Д тосқауылды кездестірді дейік. Мұндай тосқауыл ролін дислокациялардың бір-бірімен қиылысқан нүктесі, қоспа атом және басқа ақаулар атқаруы мүмкін. Дислокацияның тосқауылдан өту теориялық схемасын көрсетуге болады (2.18.-сурет).



2.18. - сурет

Дислокация «Д» тосқауылға жақындау барысында иіледі, тосқауылды айналып өтіп, дислокация жабылады және қайтадан тура сызықты дислокацияға айналады, яғни Франк-Рид дислокация көзі секілді процестер жүреді. Дислокацияның тосқауылмен кездескенде болған нақты картина 2.19.-суретте көрсетілген. Теориялық схема мен нақты картина суретінің бір-біріне ұқсастығы теориялық схемаға күмән тудырмайтыны 2.18. және 2.19.-суреттерден көрініп тұр.

Дислокацияның тосқауылды қоршап өтуі, дислокацияның созылуына және тор бұзылуының бірден күшеюіне алып келеді, тордың бұзылуы қосымша жұмыстың орындалуын талап етеді. Сондықтан ақауды дислокация өту кезінде дислокация елеулі үлкен кедергі кездестіріп қозғалуы, тордың бұзылмаған бөлігіндегіге қарағанда қиындыққа алып келеді. Пластикалық деформацияның өсуімен кристалда дислокациялар саны өседі, олай болса, әрбір дислокацияның қозғалуына кедергі жасайтын тосқауылдар саны көбейеді (дислокациялардың бір-бірімен қиылысқан нүктелері көбейеді). Сондықтан деформацияның өсуі кристалдың беріктелуімен қабат жүреді. Осы сияқты әсерді қоспа атомдар да береді, яғни оларда кристалды беріктендіреді, себебі, қоспа атомдар орналасқан аумағында торды бұзады. Сондықтан олар дислокацияның қозғалуына кедергі жасайды. Сонымен кристалдың ығысуына кедергі күштерді көбейтеді, яғни кристалл беріктелінеді. Дислокациялардың қозғалуына аса қатты кедергі жасайтын блоктардың және дәндердің шекаралары, сонымен қатар тордың түйіндерінде немесе түйін аралығында орналасқан ерекше (включения) атомдардың жинақтары болып есептеледі. Суық деформациялану, қоспа атомды кристалға ендіру (легрлеу), қоспаларды дайындағанда ерекше атомдарды қосу, күйдіру, ескіру, т.б. құбылыстар практикада кеңінен қолданылады. Осы аталған әрекеттер машина жасайтын материалдардың механикалық қасиеттерін жақсартуға алып келеді. Осы көрсетілген жолдармен кейінгі 80 жылдардың ішінде материалдардың беріктілігін жобамен 8-10 есе арттырған. Сонымен, тордағы ақаулар кристалл деформациясына екі түрлі әсер етеді. Бір жағынан дислокацияның пайда болуы, ол кристалды әлсіретеді. Екінші жағынан, дислокацияның еркін қозғалуына кедергі жасап, кристалды беріктендіреді. Ақаулар санының кристалл беріктілігіне әсерін схема түрінде көрсетуге болады (2.20.-сурет). Ал сызықтың сол жағындағы беріктеліну ақаусыз кристалды алу технологиямен байланысты. Қазіргі кезде ішкі құрылымы идеал құрылымға жақын жұқа жіп тәрізді кристалдар алына бастады. Бұл кристалдарды көбінесе «усы» деп атайды. Мұрт (усы) кристалдардың қалыңдығы (диаметрі) 0,05-2 мк аралығында, ал ұзындығы 2, 3-10 мм дейін. Бұл кристалдардың ерекшелігі, беріктілігі өте жоғары, теориялық беріктілікке жақындайды. Мысалы, жіп тәрізді темір кристалдың беріктілігі 1,336·10¹⁰Н/м² (1336 кг/мм²), мыстікі – 0,3·10¹⁰Н/м² (302 кг/мм²), мырыштікі – 0,225·10¹⁰Н/м² (225 кг/мм²), ал кәдімгі жағдайда алынған сол металдардың беріктілігі сәйкесінше 3·10⁸Н/м² (30 кг/мм²), 2,6·10⁸Н/м² (26 кг/мм²) және 1,8·10⁸Н/м² (18 кг/мм²). Жіп тәріздес кристалдардың серпімді деформациясы бірнеше пайызға жетсе, кәдімгі кристалдың деформациясы 0,01%-дан аспайды.