Номер 2, страница 299 - гдз по физике 10 класс учебник Мякишев, Синяков

Глава 8. Твёрдые тела и их превращение в жидкости. Параграф 8.6. Объяснение механических свойств твёрдых тел на основании молекулярно-кинетической теории - номер 2, страница 299.

Условие.

2. Объясните, как дислокации влияют на прочность твёрдых тел.

Решение.

Решение

Дислокации — это линейные (одномерные) дефекты кристаллической решетки, которые оказывают фундаментальное и на первый взгляд противоречивое влияние на прочность твёрдых тел, особенно металлов и сплавов. Их воздействие можно разделить на два основных аспекта.

1. Снижение прочности по сравнению с идеальным кристаллом

Теоретическая прочность идеального кристалла, то есть кристалла без каких-либо дефектов, чрезвычайно высока. Она определяется силой, необходимой для одновременного сдвига одной части кристалла относительно другой вдоль кристаллографической плоскости, что требует одновременного разрыва всех межатомных связей в этой плоскости. Прочность на сдвиг в этом случае может быть оценена по формуле Я.И. Френкеля: $\tau_{теор} \approx \frac{G}{2\pi}$, где $\text{G}$ — модуль сдвига материала.

Однако реальная прочность большинства кристаллических материалов на 3-4 порядка (в 1000-10000 раз) ниже теоретической. Причина этого колоссального расхождения заключается в наличии дислокаций. Пластическая деформация в реальных кристаллах происходит не путем одновременного сдвига целых атомных плоскостей, а за счет последовательного движения дислокаций под действием приложенного напряжения. Для перемещения дислокации требуется разорвать и восстановить лишь небольшой ряд атомных связей вблизи её линии, что энергетически гораздо выгоднее и требует значительно меньшего напряжения. Этот процесс можно сравнить с перемещением тяжелого ковра: вместо того чтобы тащить весь ковер целиком, гораздо легче создать на нем складку (аналог дислокации) и перемещать эту складку.

Таким образом, само наличие дислокаций в кристалле обеспечивает механизм пластической деформации при относительно низких напряжениях, что кардинально снижает его предел текучести (прочность) по сравнению с идеальным бездислокационным кристаллом.

2. Увеличение прочности (упрочнение)

Парадоксально, но увеличение количества дислокаций до определённого предела приводит не к дальнейшему ослаблению, а к увеличению прочности материала. Этот эффект называется деформационным упрочнением или наклёпом.

При пластической деформации (например, при ковке, прокатке) существующие дислокации движутся и размножаются, их плотность в материале резко возрастает. При высокой плотности дислокации начинают взаимодействовать друг с другом: они могут пересекаться, образовывать сетки, скопления и запутанные клубки (так называемые "леса дислокаций"). Эти взаимодействия, а также другие дефекты решётки (границы зёрен, примесные атомы), создают препятствия для движения других дислокаций. Чтобы преодолеть эти препятствия и продолжить пластическую деформацию, необходимо приложить всё большее напряжение.

Следовательно, чем выше плотность дислокаций и чем более они запутаны, тем выше сопротивление материала пластической деформации, то есть тем выше его прочность и твердость. Этот принцип лежит в основе многих технологий обработки металлов давлением.

В итоге, влияние дислокаций на прочность твердых тел является двойственным. С одной стороны, их наличие в кристалле делает возможной пластическую деформацию при напряжениях, значительно меньших теоретической прочности, то есть они снижают прочность по сравнению с идеальным кристаллом. С другой стороны, увеличение плотности дислокаций и их взаимное торможение приводят к упрочнению материала, повышая его сопротивление дальнейшей деформации. Управление плотностью и распределением дислокаций является ключевым инструментом для контроля механических свойств кристаллических материалов.

Ответ: Дислокации оказывают двойственное влияние на прочность твёрдых тел. Их присутствие в кристалле обеспечивает механизм пластического скольжения, что кардинально снижает прочность по сравнению с теоретической прочностью идеального, бездефектного кристалла. Однако при увеличении плотности дислокаций (например, в процессе холодной пластической деформации, или наклёпа) они начинают мешать движению друг друга, что приводит к упрочнению материала — для его дальнейшей деформации требуется приложить большее напряжение.