Bài giảng Vật lý chất rắn đại cương - Chương 2: Tính chất cơ học của vật rắn tinh thể - Đỗ Ngọc Uấn

Tính chất cơ học của vật rắn tinh thểChương III. Đường cong biến dạng của tinh thể: ứng suất, biến dạngTrong môi trường liên tục, đàn hồi ứng suất quy ước  =F/S. F- lực tác dụng và S là diện tích thiết diện vuông góc với lực. Biến dạng tương đối được tính theo công thức: Giai đoạn I (OA): Đây là biến dạng đàn hồi; Khi bỏ ứng suất, mẫu trở lại trạng thái ban đầu. OBAClĐL Hooke: =E.  Texơ ứng suất ik i - Song song với trục ik - Tác dụng lên mặt vuông góc với trục kul, um là dịch chuyển dọc theo trục xl và xm. Ten xơ ik , lm là các ten xơ hạng 2 có chín thành phần. iklm là ten xơ hạng 4; i,k,l,m biến đổi từ 1 đến 3 x(x1)22 23 32 z(x3) y(x2)ik= 11 12 13 21 22 2331 32 33 lm=11 12 1321 22 23 31 32 33 Texơ biến dạng: Giai đoạn II (AB) là giai đoạn trượt nhẹ, độ dốc của đường cong giảm đi đáng kể. Đây là quá trình biến dạng dẻo. Khi bỏ ứng suất bên ngoài tinh thể không trở về trạng thái ban đầu nữa. Ta nói trong tinh thể còn biến dạng dư. Giai đoạn III (BC): Độ dốc đường cong lớn hơn, được gọi là giai đoạn hoá bền mạnh; Muốn biến dạng tiếp tục thì phải tăng ứng suất. Sau điểm C là giai đoạn nghỉ động lực IV thường kèm theo việc hình thành các khe nứt, biến dạng tăng, nhưng ứng suất lại giảm.Cuối cùng mẫu bị phá huỷ, tức bị chia thành các phần riêng biệt. Giá trị ứng suất tại C được gọi là độ bền của mẫu. II. Phương trình truyền sóng đàn hồi trong tinh thể / Biến dạng đàn hồi Khi có lực bên ngoài tác dụng, phần thể tích nhỏ dv chịu 1 lực tác dụng: dvui sự dịch chuyển của vật chất trong mẫu.Lực tác dụng lên vật có thể tích v là:Lực tác dụng thông qua bề mặt:Cân bằng hai biểu thức lực:Vận tốc sóng dọclà phương trình bậc 3 của 2 gọi là phương trình tán sắc, các chỉ số thay đổi từ 1 đến 3. Phương trình có 3 nghiệm khác nhau của véctơ sóng . Thay từng nghiệm  vào phương trình ta sẽ thu được các thành phần của hàm số biến dạng ui Đây là phương trình đồng nhất nên chỉ xác định được tỉ số giữa 3 thành phần. Vận tốc sóng ngang=E=12=Môdun trượt : =E/2(1+).Môđun đàn hồi E Hệ số Poisson (Poát xông):Tỷ số giữa co ngang và giãn dọcIII. Biến dạng dẻo: Các lớp tinh thể trượt đi so với nhauXem xét các lớp trượt đó ta thấy các hệ trượt: Sự trượt xảy ra trên mặt xếp khít nhất. Phương trượt là phương xếp khít nhất . Ví dụ về hệ trượt:Trong mạng LPTM Cu, Ag, Au Hệ trượt là (111)[110] FTrong mạng LPTK Fe, Mo Hệ trượt là (110)[111] Trong thực tế tương tác giữa các mặt này yếu nhất .Trong mạng SPXK Mg, Zn Hệ trượt là (0001)[11 0]IV. ỨNG SUẤT TRƯỢT TỚI HẠN THEO FRENKELLbaxOb/4b/2f(x)x12max10-1. . theo Frenkell khi 12 = 0  10-1., bắt đầu có trượt dẻo. lớn hơn kết quả thực nghiệm tới trăm lần. Giả thích các hệ trượt: b nhỏ, a lớn như đã thấy.bĐể tìm A ta coi biến dạng nhỏ và theo định luật Hooke: 12= Thay =x/a, trong đó  là môđun trượt , ta có 12=x/a Mặt khác, khi góc nhỏ có thể làm gần đúng: 12 A.2x/b Ta có x/a = A.2x/b và A = .b/ (2a) Thay A có: 12=.b/(2a).sin(2x/b) và 12max= .b/(2a). V. Tinh thể thựcCó chứa các sai hỏngSai hỏng vi mô được chia thành các loại như sau:[110]0,84% SH điểm: Nút khuyết, Nguyên tử xen kẽ, thay thế:Tạp có kích thước khác với nguyên tử cơ sởCầu biến dạng[100]0,24% SH đường: Lệch mạngMặt dưMặt trượt trục LMABCDA’B’C’D’ECVéc tơ Burgers nằm trên mặt trượt và vg với trục : LM biênLệch mạng xoắn:DCBEAtrục LMLM hỗn hợpVéc tơ Burgers song song với trục LM Sai hỏng mặt: SH xếp(111) LPTMABCABCAACBCBA SPXK Song tinhABCABCAABCABCAACBABCAABCBIII Các nguyên tử chỉ chuyển động đi 1 phần của chu kỳ mạng.3 yếu tố này làm cho ứng suất trượt dẻo giảm đi đáng kể so với ứng suất Frenkell. Hướng chuyển động của các nguyên tử khác nhau. Chỉ có các nguyên tử ở vùng lệch chuyển động.VI. Chuyển động LM.LM chuyển động đi 1 chu kỳ mạng b. LM chuyển động gây ra biến dạng dẻo:LM chuyển động qua tinh thể làm phần trên trượt đi so với phần dưới một đoạn bằng bbb Bằng chứng về vết trượt của LM gây ra do chuyển động: Giai đoạn trượt nhẹ: Các hệ trượt song song hoạt động Giai đoạn hoá bền mạnh: Các hệ trượt khác nhau hoạt động Giai đoạn nghỉ động lưc: Các hệ trượt nối với nhauVII. Các cơ chế hoá bền của tinh thể: Yếu tố ngăn cản chuyển động của lệch mạng Lực Peiers-Nabarro Tương tác giữa các lệch mạng với nhauảnh hưởng nhiệt độ Tương tác của lệch mạng với các sai hỏng khác x y Tương tác với sai hỏng xếp và song tinh:SH xếpSHHH HH - Năng lượng bề mặt Các nguồn lệch mạng : mật độ lệch mạng tăng lên đáng kể từ 104 cm-2 tăng đến 1014cm-2. Như vậy lệch mạng đã sinh ra trong quá trình biến dạng. Nguồn Frank-ReadNguồn Frank-Read trong Si: Trang hoàng bằng CuW.C. Dash Biên giới hạtLM vượt qua biên giới hạt: D kích thước hạtĐa tinh thểVIII. Các quá trình phá huỷ Rão: Phá huỷ xảy ra dưới tác động của ứng suất nhỏ hơn độ bền tĩnh sau một thời gian tác dụng.  < ĐB sau thời gian bị phá huỷNhiệt độ tăng thời gian phá huỷ giảmMặt dưMặt trượt trục LMLM bòNút khuyết Mỏi: Khi tinh thể chịu tác động của ứng suất xoay chiều nó có thể bị phá huỷ do ứng suất có biên độ nhỏ hơn độ bền của tinh thể sau nhiều chu kì ứng suất.tHình thành các vết lồi lõm trên bề mặt tinh thể Gọt nhẵn bề mặt Các nguồn lệch mạng hoạt động và các lệch mạng sinh ra từ các nguồn khác nhau: s1,s2 đi ra bề mặt mẫu:s1s2s1s2s2s1s2s1 Phá huỷ giòn: Phá huỷ giòn là phá huỷ xảy ra trong giới hạn đàn hồi. Đây là phá huỷ rất nguy hiểm vì nó xảy ra rất nhanh2CR