§ 17. ПРИМЕНЕНИЯ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ТЕЛ

Применения монокристаллов. Применения кристаллов в науке и технике так многочисленны и разнообразны, что их трудно перечислить. Поэтому ограничимся несколькими примерами.

Самый твердый и самый редкий из природных минералов — алмаз. За всю историю человечества его добыто всего около 150 т, хотя в мировой алмазодобывающей промышленности сейчас работает почти миллион человек. Сегодня алмаз в первую очередь камень-работник, а не камень-украшение.

Около 80% всех добываемых природных алмазов и все искусственные алмазы используются в промышленности. Роль алмазов в современной технике так велика, что, по подсчетам американских экономистов, прекращение применения алмазов привело бы к уменьшению мощности промышленности США вдвое.

Примерно 80% применяемых в технике алмазов идет на заточку инструментов и резцов из сверхтвердых сплавов. Алмазы служат опорными камнями (подшипниками) в хронометрах высшего класса для морских судов и в других особо точных навигационных приборах. На алмазных подшипниках не обнаруживается никаких следов износа даже после 25 000 000 оборотов.

Несколько уступая алмазу по твердости, соревнуется с ним по разнообразию технических применений рубин — благородный корунд, окись алюминия с красящей примесью окиси хрома. Мировое производство искусственных рубинов превышает 100 т. в год. Из 1 кг синтетического рубина удается изготовить около 40 000 опорных камней для часов. Незаменимыми оказались

рубиновые стержни на фабриках по изготовлению химического волокна. На изготовление 1 м ткани из искусственного волокна требуется израсходовать сотни тысяч метров волокна. Нитеводители из самого твердого стекла при протяжке через них искусственного волокна изнашиваются за несколько дней, агатовые способны работать до двух месяцев, рубиновые нитеводители оказываются практически вечными.

Новая область для широкого применения рубинов в научных исследованиях и в технике открылась с изобретением рубинового лазера — прибора, в котором рубиновый стержень служит мощным источником света, испускаемого в виде тонкого светового луча.

Исключительная роль выпала на долю кристаллов в современной электронике. Большинство полупроводниковых электронных приборов изготовлено из кристаллов германия или кремния.

Способы повышения прочности твердых тел. Повышение пределов прочности таких широко используемых в технике материалов, как сталь, чугун, алюминий, медь и многих других, является задачей исключительной важности.

Сравнение реальной прочности кристаллов со значениями, полученными на основании теоретических расчетов, обнаруживает весьма существенные расхождения: теоретический предел прочности в десятки и даже в сотни раз превосходит значения, получаемые при испытаниях реальных образцов! Это означает, что на изготовление станков и машин, железных дорог и трубопроводов расходуется в десятки и сотни раз большее количество материалов, чем это было бы необходимо при получении материалов, обладающих такой прочностью, какая предсказана теорией. Поэтому физикам и инженерам очень важно было узнать, по какой причине реальная прочность твердых тел оказывается значительно меньше величин, рассчитанных для идеальной модели. Оказалось, что причина расхождения теории и эксперимента — наличие внутренних и поверхностных дефектов, существование которых не учитывалось в расчетах.

В 1924 г. академик А. Ф. Иоффе показал, что прочность кристаллов каменной соли на разрыв увеличивается в 400 раз, если измерения проводить с кристаллами,

Рис. 23. (см. скан) Схема движения дислокации в кристалле

погруженными в раствор каменной соли. Из-за процессов растворения и кристаллизации различного рода дефекты поверхности кристалла — трещины, дислокации — исчезают, поэтому прочность его возрастает почти до теоретического значения .

Внутренние дефекты также влияют на механические свойства твердых тел. При наличии дислокаций для осуществления пластической деформации нет. необходимости в одновременном разрыве

Рис. 24. Зависимость прочности от числа дефектов в единице объема кристалла

всех связей между двумя плоскостями. Достаточно разорвать небольшое число связей и переместить дислокацию на расстояние порядка постоянной решетки, как это показано на рисунке 23. Таким образом, дислокации позволяют осуществлять поочередный разрыв небольшого числа связей и этим облегчают пластическую деформацию.

Для получения материалов с высокой прочностью на разрыв и сдвиг, т. е. с большим сопротивлением пластической деформации, необходимо либо уменьшить в них число дислокации, либо создать условия, затрудняющие перемещение дислокаций. Препятствием перемещению дислокации может служить другая дислокация, встретившаяся на ее пути. Поэтому при увеличении числа дислокаций в единице объема прочность кристалла сначала уменьшается, а затем начинает возрастать. Это обстоятельство иллюстрируется на графике зависимости предела прочности от числа дефектов в единице объема кристалла (рис. 24).

Полученные в лабораторных условиях методом выращивания из паров бездислокационные кристаллы в виде тонких нитей толщиной порядка микрометра, как видно из таблицы 1, имеют прочность, близкую к теоретической. Нитевидные кристаллы сапфира (фото 9) являются рекордсменами прочности.

Таблица 1. Теоретическое значение прочности некоторых материалов и прочность их монокристаллов в виде «усов»

Способ повышения прочности твердых тел путем получения кристаллов с очень малым количеством дислокаций пока еще не используется в промышленности. Большинство современных методов упрочнения материалов основано на противоположном

способе, состоящем в искажении кристаллической структуры путем создания в ней различного рода дефектов — введением примесей, созданием дислокаций. Например, при легировании стали — введении в расплав небольших добавок хрома, вольфрама и других элементов — ее прочность увеличивается примерно втрое.

При протяжке, дробеструйной обработке металлов и т. п. происходит так называемый наклеп, приводящий к увеличению плотности дислокаций и повышению прочности. Например, после протяжки бруска углеродистой стали предел прочности возрастает вдвое.

Обработка металлов давлением приводит к уменьшению размеров кристаллов и увеличению дефектов структуры внутри самих зерен. И то и другое мешает передвижению дислокаций и приводит к значительному повышению прочности.