Ми говорили, що метали зазвичай мають просту кубічну кристалічну структуру; зараз ми обговоримо їхні механічні властивості, які залежать від цієї структури. Узагалі кажучи, метали дуже «м'які», тому що один шар кристала легко змусити ковзати над іншим. Ви, напевно, подумаєте: «Ну, це дико — метали ж тверді». Ні, монокристал металу легко деформується.
Розглянемо два шари кристала, що зазнають дії сили зсуву (фіг. 30.11, а). Імовірно, ви спершу вирішите, що весь шар опиратиметься зсуву, поки сила не стане достатньо великою, щоб зсунути весь шар «над горбами» на одне місце вліво. Хоча ковзання по якійсь площині можливе, усе відбувається зовсім не так. (Інакше, згідно з обчисленнями, вийшло б, що метал набагато міцніший, ніж він є насправді.) Насправді ж справа більше схожа на те, що атоми перестрибують по черзі: спочатку стрибає перший атом зліва, потім наступний і т. д., як показано на фіг. 30.11, б. У результаті порожнє місце між двома атомами швидко подорожує праворуч і весь другий ряд зсувається на одну міжатомну відстань. Ковзання відбувається таким чином, що на перекочування атома через горб поодинці потрібно набагато менше енергії, ніж на підняття всього ряду в цілому. Щойно сила зросте до значення, достатнього для початку процесу, весь процес протікає дуже швидко.
Розглянемо два шари кристала, що зазнають дії сили зсуву (фіг. 30.11, а). Імовірно, ви спершу вирішите, що весь шар опиратиметься зсуву, поки сила не стане достатньо великою, щоб зсунути весь шар «над горбами» на одне місце вліво. Хоча ковзання по якійсь площині можливе, усе відбувається зовсім не так. (Інакше, згідно з обчисленнями, вийшло б, що метал набагато міцніший, ніж він є насправді.) Насправді ж справа більше схожа на те, що атоми перестрибують по черзі: спочатку стрибає перший атом зліва, потім наступний і т. д., як показано на фіг. 30.11, б. У результаті порожнє місце між двома атомами швидко подорожує праворуч і весь другий ряд зсувається на одну міжатомну відстань. Ковзання відбувається таким чином, що на перекочування атома через горб поодинці потрібно набагато менше енергії, ніж на підняття всього ряду в цілому. Щойно сила зросте до значення, достатнього для початку процесу, весь процес протікає дуже швидко.
Зображення
Виявляється, що в реальному кристалі ковзання виникає по черзі: спочатку в одній площині, потім закінчується там і починається в іншому місці. Чому воно починається і чому закінчується — цілком незрозуміло. Справді, дуже дивно, що послідовні області ковзання часто розташовані досить рідко. На фіг. 30.12 представлено фотографію дуже маленького й тонкого кристала міді, який був розтягнутий. Ви можете помітити різні площини, в яких виникало ковзання.Несподіване зісковзування окремих кристалічних площин легко помітити, якщо взяти шматок олов'яного дроту, в якому містяться великі кристали, і розтягувати його, тримаючи близько до вуха. Ви чітко розрізните звуки «тік-тік», коли площини клацають у нових положеннях, одна за одною.
Проблема «нестачі» атома в одному з рядів складніша, ніж може здатися при розгляді фіг. 30.11. Коли шарів більше, ситуація радше схожа на те, що зображено на фіг. 30.13. Подібний дефект у кристалі називають дислокацією. Вважається, що такі дислокації виникають при утворенні кристала або ж унаслідок подряпини чи тріщини на його поверхні. Раз виникнувши, вони досить вільно можуть проходити крізь кристал. Великі порушення виникають через рух безлічі таких дислокацій.Дислокації можуть вільно пересуватися. Це означає, що для них потрібно небагато додаткової енергії, якщо тільки весь інший кристал має досконалу ґратку. Але вони можуть і «застигнути», зустрівши якийсь інший дефект у кристалі. Якщо для проходження дефекту потрібно багато енергії, вони зупиняться. Це і є той механізм, який надає міцності недосконалим кристалам металу. Кристали чистого заліза зовсім м'які, але невелика концентрація атомів домішок може викликати достатню кількість дефектів, щоб протистояти дислокаціям. Як ви знаєте, сталь, що складається переважно із заліза, дуже тверда. Щоб отримати сталь, під час плавлення до заліза домішують трохи вуглецю; при швидкому охолодженні розплавленої маси вуглець виділяється у вигляді маленьких зерен, утворюючи в ґратці безліч мікроскопічних порушень. Дислокації вже не можуть вільно пересуватися, і метал стає твердим.
Чиста мідь дуже м'яка, але її можна «загартувати» наклепом. Це робиться відбиванням або згинанням її в один і інший бік. У такому разі утворюється багато різних дислокацій, які взаємодіють між собою й обмежують рухливість одна одної. Можливо, ви бачили фокус, коли беруть шматочок «м'якої» міді й легко обвивають чиєсь зап'ястя у вигляді браслета. У той самий момент мідь стає загартованою, і розігнути її стає дуже важко! «Загартований» метал типу міді можна знову зробити м'яким за допомогою відпалу за високої температури. Тепловий рух атомів «розморожує» дислокації й знову створює окремі великі кристали. Про дислокації можна розповідати дуже багато. Так, досі ми описували тільки так звані «дислокації ковзання» (крайові дислокації). Існує ще безліч інших видів, зокрема гвинтова дислокація, зображена на фіг. 30.14. Такі дислокації часто відіграють важливу роль у рості кристалів.