Влияние строения на прочность материала

Прочность материала одного и того же состава зависит от его пористости. На рис. 12 представлен график прочности цементного бетона, показывающий, что увеличение пористости с 12,4 до 15,2% снизило прочность при сжатии с 37,5 до 26 МПа.

Рис. 12. Кривая зависимости прочности цементного бетона от пористости

Подобная зависимость характерна и для других материалов (известняка, керамических материалов и пр.).

Реальные кристаллические материалы имеют большее или меньшее количество точечных дефектов. Одни из них заключаются в том, что некоторые атомы или ионы смещены в другие положения и могут располагаться даже между узлами кристаллической решетки (дефекты Френкеля). Их нормальные места остаются свободными и затем замещаются другими ионами. Следовательно, в узлах решетки могут быть свободные места (вакансии). Другого рода дефекты возникнут в результате размещения посторонних атомов или ионов примеси в узлах решетки, где они заменяют основное вещество (примеси замещения), или между ними (примеси внедрения).

Свойства кристаллических материалов зависят от дислокаций кристаллов.

Дислокация — это всегда одномерный (линейный) дефект кристаллической решетки, возникающий или в процессе образования кристалла, или в результате последующих механических, тепловых и других воздействий. Дислокации, бывают краевые, винтовые и смешанные — криволинейные.

Рис. 13. Краевая дислокация в кристаллической решетке: 1 — экстраплоскость

На рис. 13 схематически изображена краевая дислокация. Отклонение от идеального строения кристалла вызвано тем, что один слой атомов (он расположен на рисунке в экстраплоскости) по каким-то причинам оказался незавершенным. Кромка 1 — V «лишнего» слоя атомов образует линейный дефект, называемый краевой дислокацией (она обозначена на рис. 13 знаком 1).

По обе стороны от кромки экстраплоскости атомы сдвинуты на угол, соответствующий теоретической прочности кристалла на сдвиг. Стоит приложить внешнее усилие, значительно меньшее теоретической прочности данного кристалла, чтобы осуществить сдвиг на одно межатомное расстояние в плоскости А — А, нормальной к экстраплоскости (рис. 14).

Рис. 14. Схема пластического сдвига путем движения дислокации (по П. И. Полухину)

Продолжая нагружать кристалл, перемещаем дислокацию из одного ряда атомов в другой, пока не вытолкнем дислокацию на грань кристалла. Механизм скольжения, основанный на движении дислокаций, может быть сопоставлен с перемещением по полу ковра с предварительно созданной складкой (рис. 15).

Рис. 15, складка ковра в качестве модели скольжения

При таком способе требуется значительно меньшее усилие, чем в случае перемещения ковра как единого целого. Дислокационная теория рассматривает пластический сдвиг в кристаллических материалах как скольжение путем движения дислокаций. Подвижность дислокаций зависит от того, насколько легко межатомная связь может быть разрушена и вновь восстановлена; ведь каждый раз, когда дислокация перемещается на один шаг (межатомное расстояние), должны рваться старые связи и устанавливаться новые. В этом отношении предпочтительнее связи, обеспечивающие одинаковое притяжение во всех направлениях: металлическая и ионная.

Дислокации присутствуют почти во всех кристаллических материалах. Они значительно понижают прочность монокристаллов, но зато придают пластичность поликристаллическим телам с металлической связью, делают металл ковким, затрудняют распространение трещин. По данным Ван Флека, теоретическая прочность железа на сдвиг около 7000 МПа, но практически кристалл очень чистого железа сдвигается при напряжении, меньшем в 1000 раз, — около 7 МПа; для рядовых сталей (по Гордону) прочность на сдвиг 150 — 250 МПа, для высокопрочных 1500 МПа. Доказательством, подтверждающим объяснение низкой прочности кристаллов движением дислокаций, являются результаты изучения механических свойств «усов». Эти нитевидные кристаллы различных материалов, выращенные без краевых дислокаций, способны претерпевать упругую деформацию до 5 — 6% без признаков пластического течения. Бездислокационные «усы» способны выдержать напряжения сдвига, достигающие 5% от модуля сдвига; это на несколько порядков больше, чем у обычных кристаллов. В реальности дислокаций убеждают и непосредственные наблюдения. Те места, где дислокации выходят на поверхность, выявляются с помощью химического травления в виде серий «оспинок» — ямок травления. Снят кинофильм о движении дислокаций.

Плотность дислокаций (т. е. число дислокаций, пересекающих площадь в 1 см2) может быть весьма велика — до 107 — 108 (в отожженных металлах). При механических воздействиях дислокации перемешаются, взаимодействуют между собой и порождают новые дислокаций; в особенности в местах концентрации напряжений. В результате этого их плотность возрастает до 1010 — 1013 (в сильно наклепанных металлах). Когда дислокаций много (больше некоторой критической плотности), они переплетаются (словно спутанные нитки), тормозят перемещение друг друга, в результате материал упрочняется. Однако при дальнейшем деформировании материал может сделаться хрупким.

Вакансии в кристаллической решетке, межузельные (внедренные) атомы, дислокации играют важную роль в процессах диффузии, повышают химическую активность, что используется, в частности, в технологии быстротвердеющих цементов. Однако наличие дислокаций и дефектов структуры в готовом материале снижает его стойкость, так как деформированные межатомные связи (как и места концентрации напряжений) более уязвимы для химических и физических воздействий среды. Следовательно, дислокации следует рассматривать как структурный фактор, регулирующий комплекс наиболее важных свойств кристаллических материалов.

Вопрос № 6