Внутренняя структура твердого тела
Основные понятия
В микроэлектронике находят применение т.н. традиционные материалы. К ним относятся кристаллы и поликристаллические материалы. К ним относятся материалы, которые уже долгое время используются в качестве конструкционных (металлы, сплавы, керамика, полимеры). Их структура и свойства разнообразны. Под влиянием внешних воздействий (нагрев, удар и т.д.) они деформируются. При этом они деформируются и разрушаются также по-разному в зависимости от многих факторов:
- структуры;
- химического состава;
- состояния поверхности;
- дефектов структуры;
- влияния внешней среды и др.
При деформации твердого тела возникают упругие или пластические деформации, а могут быть и те, и другие вместе.
Как известно, упругие деформации – это те, которые полностью исчезают при
удалении их причины, а пластические, наоборот, не исчезают.
Определение: свойство твердого тела восстанавливать свою первоначальную форму и размеры называется упругостью, а свойство твердого тела сохранять возникшие в нем деформации называется пластичностью.
Определение: хрупким называется разрушение тела, если оно происходит без предварительных пластических деформаций, в обратном случае разрушение вязкое.
Определение: свойство твердого тела оказывать сопротивление разрушению называется прочностью, а деформированию – жесткостью.
При деформации проявляется физическое взаимодействие между частицами (атомами, молекулами, ионами и др.) в зависимости от изменения расстояния между ними.
Чтобы определить свойства твердых тел, проводят испытания с образцами. Причем в разных странах используют образцы с разными геометрическими размерами. В качестве некой меры образца используется отношение его длины 
к диаметру 
, а в США, например, 4. В результате испытания образца на растяжение получают диаграмму растяжения.
M 4sdZjxcWWqJyGdM41bUPe25c/2Ee2M3GtZGn9YcvfYDG7GNvN+bb4FWFSepypOx/T10uTBvcu9mv OtuB3TTkKPTtAIssNCQ4AHYJplMS7GAgwQGwSzCdkmAHAwkOgF2C6ZQEOxhIcADsEkynJNjBQIID YJdgOiXBDgYSHAC7BNMpCXYwkOAA2CWYTkmwg4EEB8AuwXRK/gGTsR/Sr8G/DgAAAABJRU5ErkJg glBLAQItABQABgAIAAAAIQCxgme2CgEAABMCAAATAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAABbQ29udGVudF9U eXBlc10ueG1sUEsBAi0AFAAGAAgAAAAhADj9If/WAAAAlAEAAAsAAAAAAAAAAAAAAAAAOwEAAF9y ZWxzLy5yZWxzUEsBAi0AFAAGAAgAAAAhAHIXoeV7AgAA1gQAAA4AAAAAAAAAAAAAAAAAOgIAAGRy cy9lMm9Eb2MueG1sUEsBAi0AFAAGAAgAAAAhAKomDr68AAAAIQEAABkAAAAAAAAAAAAAAAAA4QQA AGRycy9fcmVscy9lMm9Eb2MueG1sLnJlbHNQSwECLQAUAAYACAAAACEA7OrjMN8AAAAMAQAADwAA AAAAAAAAAAAAAADUBQAAZHJzL2Rvd25yZXYueG1sUEsBAi0ACgAAAAAAAAAhAHQPo9/2BgAA9gYA ABQAAAAAAAAAAAAAAAAA4AYAAGRycy9tZWRpYS9pbWFnZTEucG5nUEsFBgAAAAAGAAYAfAEAAAgO AAAAAA== "> 
Характерная диаграмма растяжения Диаграмма условных напряжений
Диаграмма условных напряжений строится по результатам испытаний.
Определение: напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, называется временным сопротивлением 
материала. Это значение прочности 
соответствует точке 
. Его значение определяют, разделив max нагрузку на начальную площадь поперечного сечения.
Определение: напряжение 
, для которого справедлив закон Гука, называется пределом упругости (т. 
).
Определение: напряжение 
, при котором деформации растут без особого увеличения нагрузки, называется пределом текучести (т. 
).
У многих материалов площадка текучести вообще отсутствует. Тогда за предел текучести принимают напряжение, при котором остаточные деформации составляют 0,2% и обозначают 
.
Временное сопротивление отличается от теоретической прочности 
, которая оценивается в момент разрыва межатомных связей в идеальном кристалле такого же материала. Предел теоретической прочности определяется экспериментально при разрушении образцов в виде очень тонких стержней.
Значение временного сопротивления у большинства материалов на 2-3 порядка меньше теоретической прочности.
Как вы думаете, почему?
Это связано с наличием дефектов в структуре твердых макротел.
Дефекты структуры вызывают появление сильных локальных перенапряжений малых объемов материала. В этих напряженных до теоретически допустимого уровня объемах, в первую очередь, начинают развиваться процессы разрушения. Затем они распространяются по всему сечению.
Поэтому для нахождения прочности какого-либо материала или изделия из него необходимо иметь данные о характере процессов деформации и разрушения материала с учетом дефектности его структуры.
Строение совершенных кристаллов
Все существующие в природе вещества, как известно, могут находиться в одном из четырех агрегатных состояний: твердом, жидком, газообразном или плазменном.
 – энергия связи
 – равнов. расст.
|
Вещества, находящиеся в твердом состоянии, т.е. твердые тела, способны сохранять свою форму и размеры (при Т=const), т.е. обладают прочностью и жесткостью. Под действием внешних сил в твердом теле возникают внутренние силы, представляющие собой результат взаимодействия между частицами, вызванного изменением расстояния между ними. При низких температурах все вещества переходят в твердое состояние.
Равновесное состояние тела с заданной структурой определяется из условия минимума полного термодинамического потенциала: 
, где 
- внутренняя энергия, 
- температура, 
- энтропия, 
- давление, 
- объем.
Твердые тела могут быть кристаллическими или аморфными.
Определение: для кристаллов характерно наличие т.н. дальнего порядка, т.е. периодичности повторения присущей данному материалу элементарной группы атомов на больших расстояниях.
Определение: для аморфных тел характерно наличие ближнего порядка, т.е. упорядоченности в расположении лишь близлежащих частиц.
Пояснение: Что означает равновесное состояние тела? Если атомы веществе движутся не слишком активно, они сцепляются и располагаются в конфигурации с наименьшей возможной энергией. Если атомы где-то разместились так, что их расположения отвечают самой низкой энергии, то в другом месте атомы создадут такое же расположение.
Иными словами, каждый атом окружен определенно расположенными другими атомами, и такая «картина» повторяется во всех трех измерениях.
Для большей понятности и наглядности, можно провести аналогию с рисунком на ткани или обоях.
Один элемент повторяется регулярно. Можно сдвигаться как в направлении 1, так и в направлении 2, и везде мы попадем в тот же самый «рисунок». Это дальний порядок.
(до тысяч смещений)
Если такие совпадения рисунка присутствуют не везде, как-то изменяются при передвижении вглубь, в стороны тв.тела, то такой порядок – ближний (2-3 смещения, дальше меняется).
Порядок расположения атомов в кристалле можно увидеть с помощью дифракции рентгеновских лучей.
При одинаковом составе исходных частиц тв.тела могут иметь несколько различных кристаллических структур. Эта способность называется полиформизмом и обусловлена наличием нескольких относительных минимумов термодинамического потенциала.
Монокристаллические тела, или монокристаллы, для которых характерен дальний порядок структуры, обладает анизотропией свойств. Она проявляется в том, что механические и физические свойства в каждой точке тела зависят от направления.
Поликристаллы, состоящие из множества по-разному ориентированных монокристаллов, а также аморфные тела, наоборот, изотропны.