Номер 3, страница 88 - гдз по физике 10 класс учебник Закирова, Аширов

3. Каким способом увеличивают прочность кристаллов?

Прочность реальных кристаллов (как монокристаллов, так и поликристаллических тел) значительно ниже теоретической прочности, рассчитанной для идеальной кристаллической решетки без дефектов. Основной причиной этого расхождения являются дефекты строения, в первую очередь — дислокации. Пластическая деформация материала происходит за счет движения этих дислокаций. Соответственно, чтобы увеличить прочность кристалла, необходимо затруднить движение дислокаций или полностью их устранить. Существует несколько основных способов для достижения этой цели.

1. Нагартовка (холодная пластическая деформация)

Этот метод заключается в пластической деформации материала (например, путем ковки, прокатки, волочения) при температуре ниже температуры рекристаллизации. В процессе деформации в кристалле рождаются новые дислокации, и их общая плотность резко возрастает. Дислокации начинают взаимодействовать, переплетаться и блокировать движение друг друга. Это явление называют упрочнением или наклёпом. В результате материал становится прочнее и тверже, но его пластичность при этом снижается.

2. Уменьшение размера зерна (для поликристаллов)

Большинство конструкционных материалов являются поликристаллами, то есть состоят из множества мелких кристаллических зерен с разной ориентацией. Границы между этими зернами служат эффективными препятствиями для движения дислокаций, поскольку дислокации не могут легко перейти из одного зерна в другое. Чем меньше средний размер зерна, тем больше суммарная протяженность границ в единице объема, и тем больше препятствий на пути дислокаций. Это приводит к увеличению прочности и твердости материала. Для получения мелкозернистой структуры применяют специальные режимы термообработки или вводят модификаторы.

3. Твердорастворное упрочнение (легирование)

Метод основан на введении в кристаллическую решетку основного металла атомов других (легирующих) элементов, которые образуют твердый раствор. Примесные атомы, отличающиеся по размеру от атомов основного металла, вызывают локальные искажения (напряжения) в кристаллической решетке. Эти поля напряжений взаимодействуют с полями напряжений вокруг дислокаций, тормозя их движение. Примером может служить углерод в железе (сталь), где атомы углерода, располагаясь в междоузлиях решетки железа, значительно увеличивают его прочность.

4. Дисперсионное твердение (старение)

Это один из самых эффективных методов упрочнения. Он заключается в создании внутри зерен основной фазы (матрицы) большого количества очень мелких (дисперсных) и прочных частиц второй фазы. Эти частицы являются непреодолимыми или труднопреодолимыми препятствиями для дислокаций. Двигающаяся дислокация вынуждена либо "перерезать" частицу, либо "огибать" ее, что требует значительных дополнительных напряжений. Этот механизм лежит в основе высокой прочности многих сплавов, например, дюралюминия (сплав алюминия с медью, магнием и марганцем).

5. Создание бездефектных кристаллов

Этот подход противоположен остальным. Если удается вырастить кристалл, практически не содержащий дислокаций, то для его деформации потребуется сдвинуть целые атомные плоскости друг относительно друга, что требует напряжений, близких к теоретической прочности. Такие почти идеальные кристаллы, называемые нитевидными кристаллами или "усами" (whiskers), обладают колоссальной прочностью, на порядки превышающей прочность обычных технических материалов. Однако их получение в макроскопических размерах является сложной технологической задачей.

Ответ: Прочность кристаллов увеличивают методами, которые создают препятствия для движения дислокаций в кристаллической решетке или полностью устраняют эти дислокации. Основные способы: нагартовка (холодная деформация), уменьшение размера зерна, твердорастворное упрочнение (легирование), дисперсионное твердение (создание упрочняющих частиц второй фазы) и выращивание бездефектных (нитевидных) кристаллов.