книги из ГПНТБ / Рудой, Б. Л. Композиты

ментит в ферритной матрице, пластинчатый цемен­ тит в перлитной структуре или сфероидальный це­ ментит в структуре мартенсита после отпуска.

Дисперсионно-твердеющие черные и цветные сплавы обнаруживают значительный эффект упроч­ нения, обусловленный присутствием тонкодисперги­ рованной фазы.

Зачастую в технических сплавах как бы смешаны химические дисперсные соединения и твердые рас­ творы. Кристаллическая решетка у них общая. Усложнение химического состава твердого раствора, создание дисперсных включений с помощью при­ садок вольфрама, никеля, титана, молибдена, нио­ бия, тантала способствует улучшению механических свойств сплавов.

Полиморфизм металлов с высокой точкой плавле­ ния (железа, титана, циркония, гафния и др.) ис­ ключает их из ряда жаропрочных, так как при отно­ сительно низкой температуре кристаллическая ре­ шетка перестраивается и теряет способность сопро­ тивляться эксплуатационным нагрузкам. Поэтому жаропрочные сплавы имеют никелевую основу. Не­ даром на вопрос: «Как вы создаете жаропрочные сплавы?» — один известный металловед ответил: «Заменяю в сталях железо никелем».

Как же влияют на температуру плавления ни­ келевых сплавов добавки легирующих элементов?

снижают ее. Кобальт, железо и хром в большом ин­ тервале концентраций с основным элементом сплава образуют непрерывные твердые растворы. У танта­ ла, ванадия, молибдена, алюминия, марганца, тита­ на, кремния, циркония гораздо меньшая раствори­ мость. При сравнительно небольшом содержании их

40

ДЕФОРМАЦИЯ И ДИСЛОКАЦИИ

Каждая доктрина переживает три состояния. Сначала ее атакуют, объявляя абсурдной, затем допус­ кают, что она правильна, очевид­ на, но малозначительна. Наконец, признают, что она истинная, и тогда бывшие противники добива­ ются чести ее открытия.

В. Джеймс

ля деформации и последую­ щего разрушения кристалла

необходимо либо разорвать межатомные связи, от­ делить атомы друг от друга, либо сдвинуть их.

Есть ли разница между теоретической и реальной прочностью кристаллов? Теоретическая прочность идеального твердого тела, вычисленная с учетом структуры, величины межатомных взаимодействий и расстояний между атомами и молекулами, во много раз превышает реальную. Последняя составляет лишь проценты, а зачастую доли процента от теорети­ ческой прочности. В чем секрет такого несоответст­ вия?

Рассмотрение твердых тел как своеобразных атомных конструкций, которые сопротивляются раз­ рушению от нагрузки в зависимости от сопротивле­ ния сил межатомного взаимодействия, позволило соз­ дать механическую модель воздействия внешних сил на тело, ввести в науку понятия о пределах прочно­ сти, текучести и упругости. Однако развитие учения о прочности твердых тел показало, что эти пределы

42

недостаточны для характеристики их механических свойств, что принятая механическая модель является неполной, так как игнорирует колебательное движе­ ние атомов, которое радикально изменяет чисто ме­ ханическое положение.

Не сразу поняты были большие возможности ки­ нетической теории для выяснения физической приро­ ды прочности и механизмов разрушения твердых тел. При кинетическом подходе к проблеме прочности разрушение рассматривается как своеобразный про­ цесс накопления дефектов.

Для изучения процессов разрушения разных ве­ ществ современная наука пользуется инфракрасной спектроскопией, электронным парамагнитным резо­ нансом, масс-спектрометрией, хромотографией, ядерным магнитным резонансом, рентгеновской дифрак­ цией в малых и больших углах, дифракцией види­ мого света, электронной микроскопией, оптической и электронно-микроскопической фрактографией и дру­ гими методами.

Структурная неоднородность большинства тел (зерна в металлах, дефекты кристаллической струк­ туры, трещины, включения) приводит к неравномер­ ному распределению напряжений по объему, к по­ явлению локальных перенапряжений.

Возьмем стекло. Резерв его прочности обычно оценивают по предельной прочности, обусловленной его микронооднородным строением из-за огромного количества термически индуцированных структурных дефектов — микротрещин. Растягивающее усилие соз­ дает концентрацию напряжения в вершинах этих микротрещин. Когда напряжение у вершины хотя бы одно'й из них достигает величины теоретической проч­ ности, трещина начинает катастрофически углуб­ ляться в тело, рассецая его.

43

С давних пор вопрос взаимосвязи между дефор­ мацией и разрушением служил предметом внимания и изучения. Сегодня ни у кого не вызывает сомнения тесная связь этих процессов. Любая деформация металла — это своеобразная перегруппировка ато­ мов, связанная с разрывом межатомных связей, за которым следует их рекомбинация.

Как происходит разрушение металлов, которому предшествует пластическая деформация? Такой воп­ рос задал себе американский ученый Г. Тэйлор, когда начал исследовать, все ли атомы при пласти­ ческой деформации перемещаются вдоль плоскости скольжения. Многочисленные опыты и теоретические расчеты Г. Тэйлора в США, Э. Орована в Англии и Я. Френкеля в Советском Союзе привели к созданию теоретической концепции дефектов кристаллической решетки и объяснили их роль в деформации и проч­ ности кристаллических тел.

О том, что пластическая деформация металла представляет собой сдвиг его слоев, свидетельствует внешний вид образца. При текучести его зеркально отполированная поверхность мутнеет, покрывается сеткой тончайших бороздок, на которые впервые об­ ратил внимание Д. Чернов. Это следы пластических сдвигов атомов в кристаллических зернах, располо­ женных у поверхности образца. Появление этих сдвигов еще не означает разрушения металла. Сдви­ нувшиеся слои прочно сцеплены друг с другом.

Поскольку атомы в металлах объединеныэлек­ тронным газом, а кристаллическая структура их от­ носительно проста, плотно упакованные ряды атомов при нагрузке скользят один по другому особенно легко и разрушение долго не наступает. До того как разорваться, стальной образец довольно сильно растягивается, увеличиваясь в длину. В некоторых

44

случаях остаточное удлинение достигает 20—30 про­ центов. В этом заключается большая ценность ме­ таллических конструкционных материалов, которые своей деформацией сигнализируют о приближении

поломки.

Кирпич, бетон и стекло легко разрушаются при растяжении или ударе и отлично противостоят боль­ шим нагрузкам на сжатие. Ключом к пониманию столь разного поведения материалов служат их крис­

лической структуры, называемые дислокациями (сме­ щениями).

В кристаллических телах почти неизбежны участ­ ки, в которых наблюдается несовпадение в располо­ жении атомов. Рассматривая вакансию в трехмерном пространстве кристалла, ученые заметили, что зача­ стую ей соответствует смещение или лишний ряд атомов, который был назван экстраплоскостью.

Многочисленные неполные плоскости или экстра­ плоскости не проходят через все сечение кристалла. Они обрываются внутри него. Возле края экстраплос­ кости расположение атомов искажено. Эта искажен­ ная область тянется вдоль всего края и называется краевой дислокацией. Длина одиночной дислокации может достигать нескольких тысяч межатомных рас­ стояний или периодов решетки.

Электронный микроскоп позволяет наблюдать дислокации не только в состоянии покоя, в статике, но и при пластичеокой деформации — в динамике. Кристалл не сдвигается и не отрывается по всему сечению, а деформируется постепенно за счет не­ больших смещений атомов в области дислокации, на­ поминающих движение гусеницы. При этом лишь у ограниченного количества атомов нарушаются свя-

45

зи. Элементарные сдвиги могут выходить на поверх­ ность кристалла, образуя сдвиг на один период кри­ сталлической решетки.

Движение дислокации сквозь кристалл представ­ ляет по существу одновременное движение одной ли­ ни» атомов. Представьте себе, что вам нужно пере­ двинуть по полу огромный ковер. С этой задачей легче справиться, сделав на ковре складку. Ковер будет передвигаться по полу постепенно, по мере волнообразного перемещения складки. Так и в крис­ талле— часть, расположенная выше плоскости сколь­ жения, перемещается по отношению к нижней части. Характер упругих искажений решетки по обе сто­ роны плоскости скольжения разный. Там, где встре­ чается лишняя атомная плоскость, наблюдается сжатие, а под плоскостью скольжения — растяжение кристаллической решетки. Протяженность упругих искажений решетки, или упругих полей дислокации, составляет около ІО-4 см.

За счет упругих полей дислокации взаимодейст­ вуют. При этом дислокации, лежащие в разных плос­ костях скольжения, могут упорядоченно располагать­ ся в кристалле, выстраиваясь таким образом, что область сжатия кристалла у одной дислокации при­ ходится на область растяжения у другой. Ряды дис­ локаций образуют субграницы, разбивающие кри­ сталл на взаимно разориентированные блоки. Точеч­ ные дефекты и примесные атомы обычно скаплива­ ются в упругих полях дислокаций.

что вы, уменьшившись до субатомного размера, взби­ раетесь по винтовой лестнице, ступеньками которой служат атомные плоскости, отделенные друг от дру-

46

га одним периодом решетки. В конце концов вы по­ падете на верхнюю поверхность кристалла. Подъем может вестись по часовой и против часовой стрелки. Другими словами, винтовые дислокации могут иметь разное направление. В них нет лишней атомной пло­ скости. Искажение решетки в данном случае состоит в том, что плоскости решетки, окружающие ось дис­ локации, сдвинуты параллельно ей.

Винтовые дислокации играют большую роль при выращивании кристаллов из паров, растворов или расплавов. Ступенька, образующаяся при выходе винтовой дислокации на поверхность кристалла, мо­ жет непрерывно захватывать осаждающиеся на по­ верхности растущего кристалла атомы или ионы. Большинство дислокаций в кристаллах представляет собой совокупность краевых и винтовых типов.

Дислокации перемещаются под действием каса­ тельных напряжений сдвига. Сопротивляются ли ато­ мы решетки этому перемещению? Исследования по­ казали, что дислокации обладают легкой подвиж­ ностью. Те из них, которые не встречают на своем пути тормозящего влияния чужеродных атомов, ва­ кансий, включений и других дефектов, перемещаются при напряжении около десятых долей килограмма на квадратный миллиметр. Можно сделать вывод, что атомы решетки не препятствуют перемещению дис­ локаций. Атомы, расположенные непосредственно пе­ ред дислокацией, сопротивляются ее приближению, так как она выводит их из равновесного положе­ ния. Толкачами дислокации служат атомы, располо­ женные непосредственно за ней: ее удаление позво­ ляет им занять новое стабильное положение в решет­ ке. Дислокация испытывает давление с обеих сто­ рон, поэтому суммарное воздействие на нее равно нулю.

47

Цепь препятствий способна существенно ПОВЫСИТЬ прочность металла. Заслоном движению дислокаций могут служить границы зерен, у которых скаплива­ ются дислокации. Уменьшение средней величины зе­ рен увеличивает общую длину их границ, следова­ тельно, создает мощный барьер движению дислока­ ций.

Чужеродные атомы локально искажают кристал­ лическую решетку. Искажения оказывают существен­ ное сопротивление перемещению дислокаций. Да и сами дислокации, образующиеся при ковке или про­ катке, препятствуют такому перемещению при пластической деформации.

Мы говорили, что дислокации в конце концов мо­ гут выходить на поверхность кристалла. В местах их выхода решетка искажена сильнее всего. Энергия атомов здесь повышена, поэтому при приготовлении шлифов места выхода дислокаций протравливаются скорее и глубже.

А не может ли случиться так, что все дислокации выйдут на поверхность кристалла? В этом случае они были бы исчерпаны, и прочность кристалла резко возросла. Однако этого никогда не произойдет, и вот почему. Английский ученый Ф. Франк и американ­ ский ученый В. Рид в 1950 году открыли явление образования новых дислокаций в процессе пластиче­ ской деформации. Представьте себе краевую дисло­ кацию закрепленной в крайних, неподвижных точках. Под действием напряжения она сначала выгнется, а затем начнет излучать замкнутые расширяющиеся кольца дислокаций. Расчеты показали, что величина напряжения обратно пропорциональна радиусу кри­ визны линии дислокации.

Какова природа точек, в которых закреплена дис­ локация? Ими могут быть инородные включения, де-

48

фекты кристаллической решетки, а также места пере­ сечений дислокаций, одна из которых перемещается по другой плоскости скольжения. Дислокации часто зарождаются в местах значительных искажений ре­ шетки, большой неоднородности химического соста­ ва или около поверхностных дефектов (ступенек, ца­ рапин и т. д.). В современных методах обработки металлов и сплавов упрочнёние направлено на повы­ шение сопротивления движению дислокаций при их взаимодействии с дефектами кристаллической ре­ шетки и друг с другом.

Наиболее активно задерживают движение дисло­ каций чужеродные атомы. Они сохраняют свою ин­ дивидуальность независимо от того, связаны ли они дислокацией или нет, тогда как вакансии могут пол­ ностью поглощаться, оставляя дислокацию практи­ чески неизменной.

Одиночные вакансии и междоузельные атомы не во всех случаях заметно препятствуют движению дислокаций, в то время как упругое взаимодействие чужеродных атомов с дислокациями очень эффектив­ но и значительно изменяет пластические свойства кристалла.

Увеличение плотности дефектов решетки достига­ ется легированием, закалкой с последующей термо­ обработкой и холодной деформацией (наклепом). В высококачественной стали содержание углерода небольшое, всего 0,3—0,4 процента. Благодаря леги­ рующим добавкам (хром, никель, марганец, молиб­ ден, кремний, ванадий и вольфрам) прочность стали значительно повышается, особенно при высокой тем­ пературе.

Природу закалки мы уже рассматривали на при­ мере железа. Закалке могут подвергаться различные металлы и их сплавы. Ее эффект заключается в том,

49