Файл: Гегузин, Я. Е. Очерки о диффузии в кристаллах.pdf

Эти два элемента структуры «5-трека» при нагреве

кристалла ведут себя совершенно различно. Одинаково они вести себя попросту не могут из-за различия их стро­

ения. Те неровности поверхности, под которыми практи­

чески здоровый кристалл, со временем диффузионно

сглаживаются так же, как сглаживаются преднамеренно

созданные царапины поверхности. Происходит это меха­

низмом диффузионного переноса массы вдоль поверхно­

сти. Специально, быть может, и не следовало бы расска­

зывать об этом процессе, если бы не одна очень важная

деталь: неровности «5-трека» отличаются очень малыми размерами, и благодаря этому для их залечивания диф­

фузионно должен переместиться очень малый объем мас­

сы, а это значит, можно экспериментировать при невы­

сокой температуре и, следовательно, получить возмож­

ность при этой температуре определить коэффициент

поверхностной самодиффузин. Это очень ценная возмож­

поверхностной самодиффузин, и для этого не понадоби­ лись радиоактивные изотопы.

Существенно по-иному сглаживаются те детали

«5-трека», под которыми расположена искаженная об­

ласть объемного трека. В этом случае вещество кристал­

ла не перемещается вдоль поверхности, а диффундирует в объем дефектной области. Этот процесс происходит настолько скоро, что, рассказывая о нем, лучше пользо­ ваться не словом «перемещаться», а словом «провали­

ваться», или, точнее,— «всасываться». В дефектной об­ ласти объемного трека искусственно создана огромная

концентрация вакантных узлов решетки, значительно

большая, чем в объеме той части «5-трека», которая рас­

положена над ним. Эта разница концентрации вакансий

иопределяет их направленный поток к поверхности. Это

иозначает, что атомы, составляющие бугор «5-трека»,

перемещаются в объемный трек и бугор исчезает. Имен­ но таким механизмом залечивается центральный всплеск

93

ДИФФУЗИОННАЯ ПОЛЗУЧЕСТЬ

КРИСТАЛЛОВ

Жидкость может быть хрупкой,

подобно кристаллу

Тепловое движение в жидкости, согласно Френкелю,

мы представляем себе так. Каждый из атомов совершает

некоторое количество циклов колебаний около положе­

ния равновесия, а затем скачкообразно смещается в

другое положение равновесия. Одно место временной

успеют поменять места временной оседлости; по отноше­

нию к такой быстродействующей силе жидкость не обна­ руживает привычных для нас свойств — она не успевает течь, подчиняясь приложенной силе, и поэтому проявля­

ет свойства, характерные для кристаллических тел,—

твердость и хрупкость.

В возможной твердости жидкости читателя убеждать, пожалуй, не нужно. В этом многие убеждались сами, не­ ловко, плашмя падая с вышки в воду,— это почти так же

Разумеется, упасть плашмя на воду — это не лучшим

образом поставить эксперимент. По-настоящему физиче­ ский эксперимент ученые ставили много красивее. На­

пример, так: струя вязкой жидкости пересекалась стерж­

нем, который в разных опытах двигался с различными

скоростями (рис. 36, а, б). Или по-другому: струя жид­

кости простреливалась пулей из пистолета (рис. 36, в).

При этом оказывалось, что под влиянием быстро движу-

95

лишь очень существенное количественное, но отнюдь не

в кристалле и жидкости создает у нас неверное пред­

ставление о том, что течь кристалл не может. А между

тем, если действовать на него силой в течение времени,

значительно большего тк, кристалл будет течь, подобно жидкости. Ведь никого не удивляет, что свободно подве­

только заметное удлинение ее произойдет за очень дли­

тельное время.

Вот конкретный пример. Если к золотой проволочке,

площадь сечения которой 1 мм2, а длина 10 см подвесить груз 20 а и при температуре 900° С продержать под на­

грузкой 100 часов, то проволочка удлинится на 0,4 мм. Это удлинение, как и должно быть при вязком течении,

воды при комнатной температуре. Отличие колоссальное,

но только количественное. Важна качественная общность: и кристаллическое золото, и вода оказываются вещества­ ми вязкими.

Все рассказанное справедливо в форме общего ут­ верждения: кристалл может течь, подобно жидкости. Надо, однако, отчетливо понять, каков механизм этого

течения, как происходит направленное перемещение ато­

мов, воспринимаемое нами как течение кристалла.

Диффузионное течение кристалла

Обсудим процессы в бездефектном кристалле в форме

цилиндра, один конец которого закреплен, а к другому подвешен груз. Именно в таком опыте с золотой прово­

лочкой были получены цифры, которые приведены в пре­

дыдущем очерке. Кристалл подвержен одноосным рас­ тягивающим напряжениям. Напряжения в любых двух точках в объеме кристалла совершенно одинаковы. Раз-

Рис. 37. Направленные по­ токи вакансий (-------► ) и атомов (->-), возникающих на боковых и торцевых по­ верхностях монокристалла под влиянием: приложен­ ных напряжений.

личин возникают на поверхности: к торцевым поверх­

ностям приложены растягивающие, а к боковым — сжи­ мающие напряжения. Они создаются и поддерживаются

грузом, который подвешен к кристаллу. Вблизи этих по­

верхностей концентрация вакансий будет отличаться от

пожалуй, в основном для того, чтобы вспомнить об этом именно сейчас.

Итак, вблизи поверхностей двух сортов различная

концентрация вакансий. Следовательно, должен возник­

нуть их направленный поток или, что то же, поток ато­ мов в противоположном направлении (рис. 37). Этот поток атомов приводит к утончению кристалла (атомы ушли от боковой поверхности!) и его удлинению (атомы пришли к торцевым поверхностям!). Это и есть ползу­

честь. А так как атомы перемещаются с помощью диф­

фузионного механизма, то и ползучесть называется диф­ фузионной.

Вот соображение, которое, надеюсь, читателю запом­

кползучести кристалла, есть, выражаясь не фигурально,

апо существу, процесс переливания из пустого в по­

98

рожнее: пустота от торцевых поверхностей «переливает­

ся» к боковым.

Пусть это прозвучит курьезно, но в полном соответ­

ствии с истиной можно утверждать: диффузионная пол­

зучесть убедительно доказывает, что переливание из пус­

того в порожнее отнюдь не нелепость.

Описанный механизм ползучести, разумеется, не един­ ственный. Под влиянием извне приложенной на­

грузки кристалл может удлиняться, например, вследст­

вие взаимного соскальзывания отдельных его частей

друг относительно друга. Диффузионная ползучесть, од­

нако, принципиально отличается от всех других типов

ползучести тем, что происходит она «бесследно». Напри­

мер, вода течет «бесследно». Это означает, что, изучая

ее структуру, никогда нельзя сказать, текла она или нет.

В кристалле, который удлиняется механизмом скольже­

ния, остаются следы в виде так называемых полос сколь­

жения, а в кристалле, который удлинялся вследствие

когда утверждают, что кристалл может течь, подобно жидкости.

Вязкость кристалла

Мы привыкли к тому, что вязкость есть такая же харак­ теристика жидкости, как, скажем, ее плотность, т. е. вязкость жидкости — одна из ее физических характери­

стик при данной температуре. В случае кристаллических

тел дело обстоит не так. Вязкость оказывается завися­ щей не только от сорта вещества, но и от реальной струк­

туры кристаллического тела. Несколько забегая вперед,

отметим: зависит она от распределения источников и стоков вакансий в кристалле. Выходит, аналогия между диффузионной ползучестью кристалла и течением жид­ кости простирается не очень далеко, упираясь в понятие вязкости. Остановимся на этом подробнее.

Естественно считать, и это согласуется с эксперимен­

том, что кристаллическая нить удлиняется тем больше

(АI), чем больше ее исходная длина 10, чем большее на­ пряжение Р создает груз, который к ней подвешен, и чем больше времени t прошло с момента начала испытания

на ползучесть. Это можно передать формулой