Виктор Финкель - Портрет трещины
Иное дело поликристаллический материал, например, сталь. Плотность дислокаций в ней в тысячи и миллионы раз выше, чем в монокристалле. При этом уже дислокации не могут двигаться независимо друг от друга. Они взаимодействуют. Нити дислокаций образуют сложную пространственную структуру, напоминающую клубки переплетенные, запутанные. Понятно, что такой металл труднее деформировать. Он оказывается прочнее.
В сплавах возникают новые явления. Дело в том, что примеси – легирующие атомы – стремятся окружить край экстраплоскости. Грубо говоря, они тяготеют к «одинокому волку», ведь он постоянно ищет себе собратьев. Кроме того, оказывается, дислокация обладает способ-
ностью создавать вокруг себя поле упругих напряжений. Оно как бы засасывает инородные атомы. В результате линия дислокации, тоненькая и элегантная в чистых металлах, полнеет и расплывается в легированных. При этом она теряет подвижность, а иной раз попросту не способна перемещаться в пространстве – легирующие и окружающие ее чужеродные атомы играют роль гвоздей, «прибивающих» ее к кристаллической решетке. Ну, а если дислокация неподвижна, пластической деформации быть не может. Следовательно, легированные металлы прочнее нелегированных.
Теперь нам ясно, что изобилие дислокаций ведет к подавленной пластичности, а значит, к высокой прочности металла. Означает ли это, что всегда нужно много дислокаций, чтобы прочность была высокой? Такая постановка вопроса была бы слишком прямой, чтобы оказаться правильной.
И действительно, как быть с усами? У них почти теоретическая прочность; сколько же в них дислокаций? Наверное, очень много? В том-то и дело, что дислокаций в усах почти нет. Бывают нитевидные кристаллы, в которых одна дислокация, а имеются такие, в которых дислокаций нет вообще. Оказывается, именно такие бездис-
покзционные кристаллы и обладают предельной прочностью.
Если вдуматься, то противоречия здесь нет. Главное заключается в том, что для получения высокой прочности нужно «подавить» пластичность. А это можно осуществить двумя способами. Либо исключить основной инструмент пластической деформации – дислокацию, либо «набить» их в металл столько, чтобы они из-за тесноты и двинуться не могли. Первый случай имеет место в бездислокационных кристаллах – усах. Второй – в специально термически обработанной стали с высокой плотностью дислокаций.
Таким образом, дислокация – это великое благо (или зло!), позволяющее нам понимать явления, происходящие в кристаллических материалах, и сознательно влиять на них. Меняя лишь одну плотность дислокаций, мы можем в широких пределах получать нужную нам прочность. И не только ее. Дислокации влияют почти на все свойства металлов. И на их вязкость, и на электросопротивление, и на магнитные качества. Думаю, что почти все в металле, с чем связан небескорыстный интерес к ним человека, зависит от дислокаций: их количества, расположения, качества.
Что значит качества? Не оговорился ли я? Нет, не оговорился. Оказывается, существуют дислокации по крайней мере двух видов. Ту дислокацию, с которой мы имели дело до сих пор, называют обычной краевой. Смысл этого термина опирается на существование экстраплоскости ее кромки – края. Есть еще один, не менее важный вид дислокации – винтовой. Экстраплоскости у такой дислокации нет и напоминает она ножницы, режущие тонкий лист жести. При этом одна половина листа идет вниз, а противоположная вверх. Ножницы как бы скручивают две половины листа по отношению друг к другу. Но ножницы металл режут, а винтовая дислокация его просто сдвигает. Чем-то она похожа на тупые ножницы, не способные разрезать, а только сминающие металл, деформирующие его. После того, как винтовая дислокация пробежит по металлу, части его окажутся повернутыми одна по отношению к другой. Так же, как в случае с краевой дислокацией, перед дислокацией деформации нет, а позади нее – есть.
Итак, существуют два вида дислокаций – краевая и винтовая. Что-то вроде двух фамилий, двух кланов.
Но кроме фамилий, дислокации должны иметь и имена- краевых дислокаций великое множество и их надо каким-то образом различать. Основные признаки дислокации – величина и направление осуществляемого ею сдвига. Ведь сдвиг в кристалле может проходить по различным плоскостям. И после прохождения дислокации могут взаимно сместиться на различную величину. Эти два обстоятельства учитывают в физике твердого тела введением вектора Бюргерса. Его величина и направление и есть «имя и отчество» дислокации. Так и говорят: дислокация винтовая с вектором Бюргерса в одно межатомное расстояние, направленным по ребру куба. Но на практике все буднично: обозначается вектор Бюргерса буквой Ъ и равен он, например, а [III]. Означает это следующее: ориентирован вектор Бюргерса по диагонали куба и величина его составляет а У~Ъ, то есть равна этой диагонали.
Подведем итог. Пластическая деформация кристаллов осуществляется дефектами – дислокациями. Особенностью их является способность сосредоточить усилие, приложенное к плоскости скольжения на одном маленьком «пятачке», благодаря чему дислокации движутся легко и быстро. Чем-то распространение дислокации напоминает «походку» гусеницы, у которой каждый шаг – это перемещение складки, морщины (вспомните эпиграф к этой части главы!).
Иногда дислокацию представляют себе иным образом. Ковер на полу двигать тяжело. Образуйте на нем морщину и тогда его легко можно передвинуть ногой. В итоге, ковер окажется смещенным на длину складки. То же самое можно сделать и с мокрой клеенкой.
Дислокация – это абстракция, научный вымысел или будничная реальность? Конечно же, реальность! Во времена Тейлора она была лишь теоретической схемой, хорошей идеей, моделью. Но сегодня десяток методов позволяет нам видеть дислокацию так же ясно, как прохожего на улице, наблюдать за ней с помощью электронного микроскопа, рентгеновских лучей и самого обыкновенного оптического микроскопа.
Как не вспомнить Иосифа Уткина, который задолго до наступления нашего торжества над дефектами писал:
…Он усом не раз и
не два отмечал Большой дислокации метки…
Но зачем мы всем этим занимаемся? Ведь нас-то интересует разрушение! А при чем же здесь дислокация? Какое отношение имеют они к трещинам? Такие вопросы, наверное, хотел бы задать мне читатель, обладающий даже умеренным чувством осторожности и скепсиса. Ответ прост. Дело, оказывается, в том, что дислокации держат в своих руках ключ от мира прочности кристаллических материалов. Именно с ними и связан окончательный «диагноз».
ОКОНЧАТЕЛЬНЫЙ ДИАГНОЗ
…Толчок разорвал
напряженные сети молекул…
В. НазаровЧитатель помнит, что механика не смогла решить вопросы о том, с чего началось разрушение и что произошло с атомами.
Пришло время рассмотреть эту проблему с позиций физики.
Не следует думать, что в этом направлении все очевидно и доказано. Здесь накопились свои неясности и двусмысленности. Взять хотя бы основной вопрос, вокруг которого ломались копья и мнения на протяжении многих лет: всегда ли пластическая деформация необходима для появления первой микроскопической или, как говорят физики, зародышевой микротрещины?
Выдающийся советский ученый А. В. Степанов первый выдвинул точку зрения, согласно которой без пластической деформации микротрещина зародиться не может. И десятилетия это мнение господствовало. Оно и сейчас преобладает, но уже не является единственно возможным. Вполне допустим и противоположный взгляд. В противном случае было бы невозможно объяснить факты, наблюдавшиеся в опытах. Это ведь важно и потому, что не должно быть помех способности и желанию людей мечтать, фантазировать и сопоставлять противоположные, а иногда и взаимно исключающие точки зрения.
Сейчас различают два типа трещин. Прежде всего
идеально хрупкие, так называемые силовые трещины. Название это отражает следующую мысль: трещины такого рода возникают благодаря механическому силовому расщеплению слоев кристалла. Происходит нечто подобное расслаиванию слюды, отрыванию старых обоев от стены или фотографий от листов альбома. При этом межатомные связи разрушаются как бы непосредственно под действием внешних механических усилий и одна атомная плоскость отрывается от соседней. Отличительная особенность таких трещин – плавный изгиб поверхностей и схождение их в вершине трещины на одно межатомное расстояние. Можно ли считать это объяснение исчерпывающим? Нет, конечно, это лишь образ, помогающий составить себе представление, модель. Не более. Понятным этот вопрос стал бы, лишь когда мы выяснили бы, какие события произошли при этом между двумя атомами. Каким образом разрывались межатомные связи? Что поделывали при этом электроны в пространстве между разрывающимися слоями? Этих вопросов много. Ответов, к сожалению пока нет. Не знаем мы и механизма разрыва кристаллической решетки. А между тем опыт показывает, что силовые трещины существуют. Их можно видеть на значительных участках кристаллов, лишенных дислокаций.
