3. Теоретическая и реальная прочность. Пути повышения прочности металлов и сплавов.

В основе теоретического расчета лежит механизм системы жесткого сдвига. Рассматривается простая модель двух рядов атомов, которые смещаются друг относительно друга под действие касательного напряжения. При этом предполагается, что атомы верхнего ряда перемещаются относительно нижнего ряда как одно целое, одновременно. Такой расчет дает формулу: (Френкель)

Для плотных металлических решеток a/b близка к 1. Отсюда теоретическое усилие (теоретическая прочность) для осуществления сдвига примерно в 6 раз меньше модуля сдвига. Часто теоретическую прочность принимают равной 1/10 модуля Юнга.

Теоретическое значение прочности, рассчитываемое по указанной формуле, в 100 - 1000 раз больше технической прочности. Для объяснения этого расхождения была разработана теория дисклокаций.

В существовании дислокаций сейчас никто не сомнева­ется, но в 30—50-х годах этот вопрос служил темой многочисленных дискуссий.

Итак, дислокации были вначале (20-е годы) придуманы (Я. И. Френкелем) для объяснения различия между теоретической и фактической прочностью металлов; в 50-е годы в связи с применением электронного микроскопа дислокации были обнаружены металлографически.

Теория дислокаций, объяснившая причину низкой прочности реа­льных металлов, достигла полного признания, когда удалось полу­чить бездислокационные кристаллы, так называемые «усы»

Оказывается, что прочность таких бездислокационных кристаллов близка к теоретической.

Получается, что процесс сдвига в кристалле будет происходить тем легче, чем больше дисклокаций будет в металле. В металле, в котором нет дислокаций, сдвиг возможен только за счет одновременного смещения всех частей металла. Итак, способ повысить прочность – уменьшить количество дисклокаций.

Существует и другой способ упрочнения металлов. Оказывается, что реальная прочность металлов падает с увеличением числа дисло­каций только вначале. Достигнув минимального значения при не­которой плотности дислокаций, реальная прочность вновь начинает возрастать. Повышение реальной прочности с возра­станием плотности дислокации объясняется тем, что при этом возни­кают не только параллельные друг другу дислокации, но и дислока­ции в разных плоскостях и направле­ниях. Такие дислокации будут мешать друг другу перемещаться, и реальная прочность металла повысится.

Давно известны способы упрочне­ния, ведущие к увеличению полезной плотности дислокаций; это — механи­ческий наклеп, измельчение зерна и блоков мозаики, термическая обра­ботка и т. д. Кроме того, известные методы легирования (т. е. внедрение в решетку чужеродных атомов), созда­ющие всякого рода несовершенства и искажения кристаллической решетки, также являются методами создания препятствий для свободного перемеще­ния дислокаций (блокирования дисло­каций). Однако при всех этих способах упрочнения прочность не достигает теоретического значения. Следовательно, в той или иной степени наличие дислокаций в реальном металлическом кристалле является причиной более низкой его прочности по сравнению с те­оретической, и одновременно придающей способность пластически деформироваться.