4.4 Теоретическая и реальная прочность твердых тел. Дефекты структуры

Использовав представления о структуре твердых тел и материале его частиц, можно рассчитать их действительную прочность. Расчеты для ряда реальных тел показывают, что их теоретическая прочность в 100...10000 раз отличается от прочности, реализуемой реальными телами. Причиной тому являются дефекты структуры реальных тел. Среди них наиболее распространенными являются: точечные дефекты, линейные дефекты, поверхностные неоднородности и объемные неоднородности материала.

Точечные дефекты. В процессе кристаллизации или в результате взаимодействия с внешними силами внутренняя структура кристаллических тел может приобрести существенные изменения. Эти изменения (рис. 4.6) могут проявиться в виде "дырки"(1) - случай, когда в одном из мест кристаллической решетки отсутствуют тот или иной атом или появляется дефект; "внедрения"(2) - случай, когда одна из частиц кристаллической решетки застревает в ее междуузле или дефекта "замещения"(3) - случай, когда необходимый вид частицы решетки случайно заполняется частицей совершенно иного сорта.

Каждый из этих дефектов вносит дополнительные напряжения в кристаллическую решетку твердого тела и уменьшает его прочность.

Рис. 4.6. Точечные дефекты кристаллических тел

Линейные дефекты. В процессе кристаллизации образуются блоки кристаллической решетки, несколько сдвинутые по направлениям. Границы же блоков представляют собой области с нарушенными структурами, а, следовательно, и с характером взаимодействия между частицами, их составляющими. В тоже время, под действием внешних сил в структуре кристаллических тел могут произойти смещения частиц, приводящие к нарушениям в строении кристаллических тел. Геометрические формы линейных дефектов очень сложные, однако предельные их случаи - краевая и винтовая формы - могут быть представлены в виде схем (рис. 4.7, 4.8).

Рис. 4.7. Схематическое изображение линейного дефекта

в виде винтовой дислокации

Рис. 4.8. Схематическое изображение линейного дефекта

в виде сдвиговой дислокации

Линейные нарушения чередования атомных плоскостей в кристаллической решетке твердых тел получили название дислокации. В переводе с греческого языка это слово означает смещение. Смещение в кристаллических решетках приводит к возникновению дополнительных концентраций напряжений и, как следствие, к существенному изменению прочности твердых тел. На рис.4.9 показано, что с увеличение плотности дислокаций в материале  модуль Юнга Е резко уменьшается и после перехода некоторого минимума несколько повышается за счет выхода дислокаций на границы зерен или поверхность, а также за счет их взаимного наложения и компенсации.

Рис. 4.9. Зависимость сопротивления деформации

от плотности дислокаций

Поверхностные (двухмерные) неоднородности представляют собой дефекты поверхности границ зерен и дефекты упаковки, возникающие как при зарождении кристаллов, так и в процессе их эксплуатации.

Объемные (трехмерные) неоднородности представляют собой аморфные области, поры, трещины, а также всевозможные включения.