Механические свойства твердых тел

Оказалось, что причина  расхождения теории и эксперимента – в наличии внутренних и поверхностных  дефектов, существование которых  не учитывалось в расчетах.

3.1 Дефекты в  кристаллах

Уже сам факт сильной зависимости  пластических свойств тела от его  обработки, наличия примесей и т.п. указывает на тесную связь этих свойств  с особенностями кристаллического строения реальных тел – особенностями, отличающими реальные кристаллы  от идеальных.

О нарушениях идеальной кристаллической  структуры говорят как о дефектах кристаллов. Наиболее простой тип дефектов (которые можно назвать точечными) состоит в отсутствии атома в узле решетки (свободная вакансия) или в замене «правильного атома в узле чужеродным (атомом примеси), во внедрении лишнего атома в межузельное пространство и т.п. Нарушение правильности структуры решетки распространяется на небольшое (порядка величины нескольких периодов) расстояние вокруг такой точки.

Наиболее важную роль в  механических свойствах твердых  тел играют, однако, дефекты другого  рода, которые можно назвать линейными, поскольку нарушение правильности структуры кристаллической решетки  сосредоточено вблизи нескольких линий. Эти дефекты называют дислокациями.

Изображенную на рисунке  дислокацию можно представить себе как дефект решетки, вызванный наличием в ней одной лишней кристаллической  полуплоскости, вдвинутой между  двумя «правильными» плоскостями (слоями атомов).

Линией дислокации (которую в  данном случае можно назвать краевой), является перпендикулярная плоскости рисунка прямая линия, отмеченная на рисунке значком перпендикуляра. «Лишний» слой атомов расположен над этим значком. Эту дислокацию можно представить и как результат сдвига верхней части кристалла на величину одного периода.

Другой тип дислокации можно наглядно представить как  результат «разреза» решетки  по полуплоскости, после чего части  решетки по обе стороны разреза  сдвигаются навстречу друг другу  на один период параллельно краю разреза (который называется в этом случае винтовой дислокацией). Наличие такой дислокации превращает кристаллические плоскости в решетке в геликоидальную поверхность (подобную винтовой лестнице без ступенек).

В краевой дислокации направление  сдвига перпендикулярно, а в винтовой – параллельно линии дислокации. Между этими двумя предельными  случаями возможны любые промежуточные. Линии дислокации не обязательно  прямые: они могут быть и кривыми, в том числе образовывать замкнутые  петли.

3. 2  Способы повышения прочности твердых тел

Для получения материалов с высокой прочностью на разрыв и  сдвиг, т.е. с большим сопротивлением пластической деформации, необходимо:

а) либо уменьшить в них  число дислокаций,

б) либо создать условия, затрудняющие перемещения 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.

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 втрое.

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.

Использование научных достижений в металлургии позволило получать алюминиевые сплавы, не уступающие по прочности легированным сталям. Лучшие марки стали 30-х годов обладали прочность на разрыв 10⁹ Па, а современные – 2,3х10⁹ Па.

Приблизить практическую прочность металлов к теоретической  можно и другим способом –высокоскоростной кристаллизацией. На основе высокоскоростной кристаллизации и последующего горячего прессования разработана технология производства, например, дисков из никелевых сплавов для газотурбинных двигателей. Таким способом жаропрочность дисков была повышена более чем в полтора раза. Это дало возможность уменьшить массу агрегатов, повысить рабочие температуры, увеличить срок службы двигателей.

Литература

1. Кабардин О. Ф., Кабардин С. И., Шефер Н. И. Факультативный курс физики. Учеб. пособие для учащихся. – М.: Просвещение, 1986. – С. 50-61.
2. Конева Н. А. Природа стадий пластических деформаций. Соросовский образовательный журнал, № 10, 1998. – С. 99-105.
3. Ландау Л. Д., Ахиезер А. И., Лифшиц Е. М. Курс общей физики. Механика и молекулярная физика, М.: Наука, 1969. С. 316-335.
4. Яворский Б. М., Детлаф А. А. Справочник по физике для инженеров и студентов вузов.– М.: Наука, 1978. С. 281-291.