Глава 8
Пластичность металлов, или интимная жизнь дислокаций
Железныя рудокопи доставляют человеку превосходнейшееи зловреднейшее орудие. Ибо сим орудием прорезываем мы землю, сажаем кустарник,обрабатываем плодовитые сады и, обрезая дикие лозы с виноградин, принуждаемих каждый год юнеть. Сим орудием выстраиваем мы домы, разбиваем камни иупотребляем железо на все подобный надобности. Но тем же самым железомпроизводим брани, битва и грабежи и употребляем оное не только в близи,но и мещем окрыленное в даль, то из бойниц, то из мощных рук, то в видеоперенных стрел. Самое порочнейшее, по мнению моему, ухищрение ума человеческого.Ибо, чтобы смерть скорее постигла человека, сделали ее крылатою, и железупридали перья. Того ради да будет вина приписана человеку, а не природе.Некоторыми опытами доказано, что железо может быть безвредно. В мирномсоюзе, дарованном Порсеною римскому народу, по изгнании Царей, нахожу яименно сказанным: чтобы железо употреблять не на иное что, как на земледелие.
Перевод В. Севергина, С.-Петербург, 1819.
Выше мы говорили о том, как можно повысить вязкость упругих материалов,подчиняющихся закону Гука вплоть до момента разрушения. Описанный в главе4 механизм является практически единственным для получения полезнойвязкости неметаллических материалов, и, как мы уже говорили, живая природа,по-видимому, целиком уповает на него, по крайней мере в своих достаточножестких материалах, таких, как древесина и кость. Другое дело вязкостьметаллов - она не имеет, насколько мне известно, аналогий в живых организмах.Механизм сопротивления металлов хрупкому разрушению обычно называют пластичностью.
Пластичность определяется тем, насколько форма кривой напряжение-деформацияотклоняется от закона Гука. В главе 3мы уже подробно говорили о концентрации напряжений, этом проклятии дляинженеров, с которым должна бороться вязкость. Как правило, в оценках концентрацииисходят из того, что материал следует закону Гука. Мы говорим о концентрациинапряжений, но все вычисления дают нам, по существу, концентрацию деформаций.Следовательно, если мы нашли в результате расчетов, что в непосредственнойблизости от кончика трещины деформация материала раз в 200 больше, чемсредняя деформация в конструкции, то мы полагаем далее, что местное напряжениетакже в 200 раз выше среднего. Мы говорим, что в этом случае коэффициентконцентрации напряжений равен 200. Однако эти рассуждения верны лишь втом случае, если для материала вблизи кончика трещины соблюдается законГука.
Металловеды пользуются классическим способом торможения трещины, которыйоснован на свойстве материала пластически деформироваться. Этим свойством какраз и обладают металлы. Небольшие отклонения от закона Гука, связанные,например, с формой кривой сил межатомного взаимодействия (глава 1), здесьбесполезны, так как локальные деформации у кончика трещины обычно в сотни разпревосходят среднюю деформацию. Существует несколько разновидностей отклоненийот закона Гука. Может быть, полезно поэтому рассмотреть вначале материал, вкотором практически отсутствует сопротивление распространению трещин.
Чем плохи вязко-упругие материалы
Если оставить густую жидкость под постоянной нагрузкой, то через достаточнодлительный промежуток времени она может практически неограниченно деформироваться.Иными словами, она будет течь. Подобно болотной топи, такая жидкость потечет,если вы будете на нее давить долго, но она успешно сопротивляется внезапнымкратковременно действующим нагрузкам. Наиболее густые жидкости трудно отличитьот твердых тел. К такого рода веществам относятся вар и гудрон, конфетаириска и различные пластики.
Мы уже говорили, что ириску довольно легко расколоть, а вот медленнымприступом ее можно не одолеть и большей силой. То же самое относится ик вару и, что уж совсем плохо, к пластикам. Дайте пластикам время, и онибудут действительно очень вязкими: они потекут вокруг головки трещины,и концентрация напряжений снизится Но как конструкционные материалы ониобъединяют в себе худшие качества как пластичных, так и хрупких материалов.Если их медленно нагрузить, то через некоторое время они начинают течьво всем объеме, постепенно уходя от выполнения своих прямых задач. Подвнезапной нагрузкой они неспособны вовремя деформироваться и их поведениепоходит на поведение твердого стекла. А коль скоро побежала трещина, онавскоре достигает такой скорости, за которой механизм пластического теченияуже не сможет успевать, - и материал раскалывается.
Такие материалы, как древесина и армированные пластики, при большихнапряжениях тоже немного ползут, то есть ведут себя на манер вязко-упругихматериалов, и это, конечно, их недостаток. Кроме того, они не вполне “гуковские”:их кривая напряжение - деформация выглядит так, как показано на рис. 47.Однако отклонения от закона Гука слишком малы, чтобы как-то понизить хрупкостьэтих веществ, поэтому они должны полностью полагаться на слабые внутренниеповерхности, тормозящие трещины.
Рис. 47. Кривая напряжение- деформация типичного неметаллического конструкционного материала (например, древесины или стекловолокна). Отклонение от закона Гука определяется, какправило, не формой кривой межатомных сил, а небольшими эффектами ползучести.
Торможение трещин дислокациями и коррозия под напряжением
Дислокационный механизм обеспечивает весьма удачную комбинацию упругостипри малых деформациях с интенсивным течением - при больших. Типичная криваянапряжение - деформация для пластичного металла схематически показана нарис. 48. Упругая деформация в таких металлах составляет намного меньше1%. Далее их поведение напоминает пластилин, они текут при почти постоянномнапряжении до удлинений 50% и более (на самом деле локальные деформациибывают значительно большими). На этом участке пластического течения материалне разупрочняется. С увеличением деформации напряжение не возрастает; но,с другой стороны, металл серьезно и не повреждается. Средняя рабочая деформация,сознательно допускаемая в технических конструкциях, редко превышает примерно0,1%, а поскольку металл может течь локально до 100% и более, то допустимыконцентрации деформаций в кончике трещины что-нибудь около 1000.
Рис. 48. Кривая напряжение-деформация для пластичного металла
На рис. 49 видно, что по обе стороны от кончика трещины есть малые областиочень большого сдвига - концентрация напряжений сдвига. Напряжения здесьдостаточны, чтобы заработали источники дислокаций, и, действительно, новыедислокации рождаются здесь в изобилии. В двух главных плоскостях, торчащихиз трещины, словно уши, под 45° к ее поверхности, возникает сдвиг, и самаяопасная концентрация напряжений снимается. Грубо говоря, это равносильноокруглению головки трещины. Следовательно, хотя гриффитсов баланс энергии(глава 4) остается в пользу распространениятрещины, механизм, движущий ее, оказывается бессильным из-за отсутствиянужной концентрации напряжений.
Рис. 49. Концентрация касательных (сдвиговых)напряжений у кончика трещины.
Таким образом, трещине не удается подрастать по чисто механическим причинам,и материал будет в безопасности, пожалуй, практически в 99% случаев. Работаяс материалами, мы должны всегда помнить, что не существует четких и ясныхлиний раздела между химией, физикой и теорией упругости. Эксперты в своихзамках из слоновой кости любят проводить это разделение, но ведь межатомные-то связи о них ничего не ведают. Связь может быть разрушена химическим,физическим или механическим путем, а также любой комбинацией этих способов.Упруго натянутая связь более уязвима по отношению к физическим и химическимвоздействиям. По этой причине области с высоким напряжением особенно слабосопротивляются растворителям и коррозионным средам.
Мы уже подчеркивали, что в вязких материалах баланс энергии обычно остаетсяв пользу распространения трещины. Трещина стоит на месте лишь потому, чтоиз-за снижения концентрации напряжений отсутствует и механизм распространения.В то же время, хотя рождение многочисленных дислокаций сильно понизилонапряжения у головки трещины, оно не сбросило их полностью.
Более того, сильно исковеркан и жизненный путь находящихся здесь атомов,и сохранились деформации микрообъемов. Поэтому связи между атомами в этойобласти более чем где-либо чувствительны к воздействию агрессивных растворови хнмикалиев, которым случится соприкоснуться с материалом. Вот почемуметаллы, вязкие на воздухе и в других сухих газах, могут растрескатьсяпод нагрузкой, если их замочить в морской воде. То же самое случается ина химических заводах. Причем без нагрузки металлы могут служить годамив той же самой коррозионной среде, а время действия роковой нагрузки можетбыть и очень большим, и очень малым. В этом отношении некоторые латунимогут оказаться ловушками для несведущих любителей.
Пластичность кристаллов
Пластичность металлов имеет два чрезвычайно полезных следствия. Во-первых,она затрудняет распространение трещин, а во-вторых, делает металл ковким.Последнее означает, что куску металла можно придать нужную форму путемгорячих или холодных операций ковки, прессования, гибки. Вообще говоря,для обработки металлов давлением (ковки, прокатки) способность к течениюдолжна быть больше, чем для того, чтобы обеспечить сопротивление материаларазвитию трещин. Но обработке подвергается, как правило, нагретый металл,а в таком состоянии практически все кристаллы намного более пластичны.
Пластичность - исключительная привилегия кристаллов, поскольку истинныедислокации могут существовать только в виде нарушений идеальной кристаллическойрешетки. Большинство твердых тел обладают кристаллической структурой,и дислокации присутствуют почти во всех кристаллах. С другой стороны, вподавляющем большинстве кристаллов при комнатных температурах дислокациилибо недостаточно подвижны, либо характер их подвижности не тот.
Почти все кристаллы содержат дислокации, порожденные самой природойкристаллизации. Но эти дислокации распределены по всему объему материалаболее или менее равномерно, а концентрация напряжений у кончика трещины- явление очень резко выраженное и локализованное, и их, этих врожденныхдислокаций, расположенных в непосредственной близости к трещине, для такогосдвига, который бы сгладил ситуацию, обычно не хватает даже если эти дислокацииочень подвижны. Следовательно, нужно, чтобы масса новых дислокации возниклапрямо на месте происшествия, их должна породить сама концентрация напряжении.Более того, размножение должно идти очень быстро, иначе материал будетуязвимым в случае ударных нагрузок.
В реальном материале трещины совсем не похожи на плоские картинки налисте бумаги, это сплюснутые объемные клиновидные поры, пытающиеся втиснутьсяв трехмерный материал. Поэтому для того, чтобы должным образом уменьшитьконцентрацию напряжений, необходим сдвиг в пяти плоскостях.
Число кристаллов, которые удовлетворяют всем перечисленным условиямсразу, очень мало: какая-нибудь дюжина металлических кристаллов из тысячсуществующих кристаллических веществ. Сегодня ни один неметаллический кристалл(подозрительное исключение составляет хлористое серебро) мы не можем считатьистинно пластичным.
Хотя за последние тридцать лет проделана огромная работа по изучениюдислокаций и существует поистине необъятное количество как теоретических,так и экспериментальных сведений, нам все еще полностью не понятно, чтоопределяет подвижность дислокаций в раличных веществах. Но все же, наверное,будет полезно рассказать о некоторых более понятных сторонах этого явления.
Прежде всего, легкость, с которой межатомная связь может быть разрушенаи восстановлена, для разных веществ весьма различна. А ведь мы знаем, чтокаждый раз, когда дислокация прыгает на один шаг, должны рваться старыесвязи и устанавливаться новые. В этом отношении наиболее гибкими должныбыть такие связи, которые обеспечивают одинаковое притяжение во всех направлениях.Здесь на первое место нужно поставить металлическую связь, а за ней - ионную.Наихудшей будет, наверное, ковалентная связь, которая часто бывает в высшейстепени направленной. Она имеет характер типа “все или ничего”. К сожалению,ковалентная связь в то же время является и наиболее прочной, и наиболеежесткой, и наиболее желательной из всех химических связей. Но при нормальнойтемпературе дислокации в ковалентных кристаллах малоподвижны.
Очень важную роль играет также кристаллическая структура вещества, тоесть геометрия взаимного расположения атомов или молекул в кристалле. Еслиэлементарная ячейка (то есть такая минимальная ячейка, простым повторениемкоторой можно “собрать” кристалл) велика, то прыжок дислокации будет, какправило, затруднен. Даже если элементарная ячейка и мала, но упаковка атомовгеометрически усложнена, число направлений легкого скольжения будет чересчурограничено. Обычно кристаллы с кубическим расположением атомов деформируютсялегче, чем кристаллы с гексагональной упаковкой атомов. Далее, важную рольиграют размер ячейки, а также примеси.
Громадное большинство кристаллических веществ не обладает достаточновысокой пластичностью при нормальных температурах, а те кристаллическиевещества, которые пластичны, оказываются слишком уж пластичными. Кристаллычистых металлов (железа, серебра, золота и т.п.) слишком мягки, настолькомягки, что практически их просто нельзя использовать. Поэтому задача металловедения- искусства и науки-заключается главным образом в том, чтобы придать такимкристаллам твердость и прочность, не сделав их при этом слишком хрупкими.Это следует делать, ограничивая движение дислокаций, но в то же время ненадо тормозить его слишком уж сильно.
Инженеры любят толковать об “удлинении”, даже используют его в качестве мерыпластичности. Это очень грубый практический прием определения величиныпластической деформации металла перед полным его разрушением. Величина эта неимеет ничего общего с упругой деформацией при разрыве материала, которая обычноне превышает 1%. Для измерения удлинения на образец наносятся две метки нарасстоянии, положим, 5 см; после разрушения образца две половинки егоскладываются и расстояние между метками измеряется вновь. Если, например, новоерасстояние окажется 7,5 см, то говорят, что удлинение равно 50% и т.д. Как ирезультаты большинства других популярных инженерных испытаний, удлинение оченьтрудно более или менее стройным образом связать со свойствами пластическоготечения материала. Точно так же трудно такие результаты использовать. Однакомногие инженеры придерживаются стойкой почти религиозной веры в силу такихиспытаний, и если вы скажете им, что древесина и стеклопластики, обладаявязкостью, дают нулевое удлинение, то в ответ можете услышать, что именнопоэтому они их и не применяют. Как и большинство верований, основанных наэмоциях, эта вера зиждется на страхе, вполне понятном страхе перед хрупкимразрушением.
Для большинства металлических сплавов удлинение порядка 5-10% оказываетсядостаточным для того, чтобы обеспечить удовлетворительную вязкость. Чащевсего на практике используют малоуглеродистые стали, имеющие удлинениедо 50-60%, но довольно низкую прочность. Частично это объясняется перестраховкойиз-за боязни трещин, но, кроме того, есть еще и две другие причины. Многиеконструкции делают из металлических листов, прутков, труб, и обычно бываеточень удобно и дешево придать им нужную форму путем гибки в холодном состоянии.Подгоняя одну часть конструкции к другой, можно также использовать и другиедовольно грубые методы. Во время войны мне говорил как-то один сборщиксамолетов, что подгонку крыльев “Спитфайеров” к фюзеляжам можно выполнитьтолько при помощи кувалды. Своими глазами я такого никогда не видел, поэтомуне могу ручаться за достоверность, но подобного рода вещи случаются, хотя,пожалуй, и не в авиационной промышленности и не в мирное время.
Вторая причина связана с тем, что перераспределение напряжений в конструкцииможет сгладить опасные напряжения. Дело в том, что иногда бывает оченьтрудным сколько-нибудь точно определить нагрузки во всех элементах сложнойконструкции, а кое-кому это может показаться просто слишком обременительнымзанятием. Если же материал течет и имеет большой пластический участок,то перегруженный элемент может просто больше деформироваться, что не такуж и опасно для него. Многие инженеры свято верят в такие “самопроектирующиеся”конструкции.
Теперь нам понятны преимущества пластичных металлов в реальном мирес его несовершенствами и соображениями коммерции. Легко объясняется теперьи широчайшее распространение мягких сталей, алюминия, меди. Но вместе стем с пластичностью связаны и два недостатка. Пластичность даже самых мягкихметаллов не бесконечна, и так как способов измерить, какая доля пластичностиуже исчерпана при изготовлении детали, обычно нет, остается лишь догадываться,сколько же пластичности сохранилось на то, чтобы обеспечивать вязкостьв ходе эксплуатации. Когда ломаются изделия массового производства, именнов этом незнании кроется корень зла. Отжиг - операция достаточно прихотливая,к тому же она связана с дополнительными расходами, а малые детальки имеютгрошовую цену, поэтому трудно воспротивиться стремлению деформировать металлв таких случаях вхолодную.
Другой недостаток заключается в том, что максимальная пластичность неизбежносочетается с малой прочностью, поскольку металловеды должны сделать так,чтобы дислокации начали двигаться при малых напряжениях. А в итоге конструкциичасто получаются намного тяжелее, чем следовало бы.
Краевые и винтовые дислокации
Теория дислокаций чрезвычайно сложна и в конце-то концов наибольший интерес онапредставляет, по-видимому, для узких специалистов. Однако нам следует упомянутьо двух основных типах дислокаций - краевой и винтовой. Краевая дислокация былавведена в обиход Дж. Тэйлором в 1934 году. Она проще и легче для понимания. Какмы уже говорили о ней в главе 3 (рис. 28), она создана, по существу, лишнимслоем атомов, вдвинутым в кристалл словно лист бумаги, наполовину вложенныймежду страницами книги. Краевые дислокации могут возникнуть в процессеобразования кристалла. Примером их могут служить так называемые “малоугловыеграницы”: когда два растущих кристалла встречаются под небольшим углом исоединяются вместе, образуя сплошное тело, линия их соединения оказываетсяцепочкой краевых дислокаций, которые впоследствии могут, конечно, перебратьсяна новые места.
Существование винтовых дислокаций предсказал в 1948 году Франк. Онипонадобились ему не столько для объяснения механических свойств кристаллов,сколько для объяснения их роста. Переход атомов или молекул из раствораили из пара и более или менее непрерывное осаждение их на растущем твердомкристалле сопровождается изменением энергии системы. Пойдет или не пойдеттакой процесс - зависит от так называемого пересыщения, грубо говоря, оттого насколько охотно молекулы покидают раствор или пар. Можно, напримерохладить раствор сахара или соли значительно ниже температуры, при которойдолжны расти кристаллы, а кристаллы не появятся, пока не окажется для нихподходящей поверхности.
Для гладкой плоской поверхности можно вычислить степень пересыщения,которой можно достичь без выпадения материала. Она оказывается довольнобольшой. Франка занимало, что на практике многие кристаллы растут себена здоровье при пересыщениях, которые намного меньше теоретически рассчитанныхдля присоединения атомов к плоской поверхности. И в самом деле, если бынам всегда пришлось осаждать кристаллы только на плоскую поверхность, многиекристаллы вряд ли вообще были бы получены. Но можно показать, что еслиповерхность имеет нерегулярность, неровность, такую, как, например, ступенькавысотою хотя бы в одну молекулу, - осаждение будет намного легче.
Ступенька дает довольно уютное пристанище блуждающим молекулам, которыестремятся осесть именно здесь. Так и каменщик кладет кирпичи на уступекладки. И точно так же, как и в случае кирпичной кладки, добавив один элементик,мы не уничтожим ступеньку, а лишь переместим ее вдоль верхушки стены. Этотмеханизм в действии наблюдали Банн и Эммет в 1946 году. Напомним, что именнотак получаются ступеньки, которые ослабляют поверхность усов и других кристаллов(глава 3).
Франк рассуждал примерно так. Допустим, что ступеньки роста существуют.Что же тогда получается, когда движущаяся ступенька доходит до кромки кристалла?По-видимому, она должна исчезнуть, как исчезает уступ на кирпичной стене,когда каменщик достигает конца стены. Если так, то как могла бы возродитьсяступенька, чтобы начал расти следующий слой?
Ответ Франка был блестяще прост. Кристаллы никогда не строятся, какдома, из слоев кирпича. Ступенька роста никогда не исчезает на кромке,потому что кристалл строится подобно винтовой лестнице. Значит, кристаллпросто “накручивается” сам на себя, все время используя одну и ту же ступеньку.Подобно тэйлоровой гипотезе о краевых дислокациях, идея о винтовых дислокацияхпокоряла своей логикой, и интуитивно казалось, что она должна быть верной.Так оно и получилось. Вскоре Форти и другие экспериментаторы подтвердилисуществование винтовых дислокаций (рис. 50).
Рис. 50. Схема винтовой дислокации.
В схеме винтовой лестницы самой труднообъяснимой была ситуация в центре.Здесь, конечно, существует какой-то пробел, нестыковка, образующие некоторуюлинию по оси винта. Это и есть сама дислокация. Как и в случае краевойдислокации, межатомные связи здесь сильно деформированы, хотя ничего подобногоотверстию, в обычном смысле этого слова, нет. Но вот усы довольно частобывают полыми, трубчатыми. Возможная причина этого в том, что такие усыросли с винтовой дислокацией, ступенька которой была высотой не в одну,а в несколько молекул. Если так, то тогда деформации в ядре дислокациимогут быть очень большими. Следовательно, кристалл может предпочесть энергиидеформации поверхностную энергию, то есть расти с отверстием посередине.
Как случается с большинством удачных гипотез, с гипотезой о винтовойдислокации перестарались: с нею связывался почти каждый аспект роста почтикаждого вида кристаллов. Сегодня, по-видимому, ясно, что многие кристаллыобходятся в своем росте без механизма Франка, но факт остается фактом -очень многие кристаллы используют этот механизм, винтовая дислокация -вполне реальное и очень важное явление.
Совсем не обязательно, чтобы дислокация была целиком краевого или винтовоготипа. Дислокационная линия может начаться как краевая, а закончиться -как винтовая, и наоборот. А между началом и концом она может быть отчастивинтовой, а отчасти - краевой. В таких случаях говорят, что дислокацияимеет винтовую и краевую компоненты. Но правила движения двух типов дислокацийнеодинаковы, и в этом одна из причин сложностей поведения реальных дислокаций,представляющих собой обычно искривленные пространственные линии.
Сегодня теория дислокации - тщательно разработанная и поощряемая наука,которая, несомненно, пролила свет на поведение твердых тел, особенно металлов.Теперь мы в значительной мере понимаем реальное поведение металлов. С другойстороны, нельзя сказать, что знания о дислокациях привели к каким-то радикальнымусовершенствованиям механических свойств материалов. Что касается металлов,то можно, пожалуй, сказать, что большая часть возможных и важных улучшенийбыла сделана еще традиционными эмпирическими методами, а роль дислокационнойтеории свелась к объяснению того, почему и как эти улучшения получились.
Наблюдение дислокаций
Какой правдоподобной и логичной ни была бы научная гипотеза, для большинствалюдей она остается все-таки голой абстракцией, пока нельзя будет что-топотрогать собственными руками или увидеть собственными глазами. Косвенныхили математических доказательств для них недостаточно. Примером может служитьтепловая теория. Из элементарной физики каждый знает, что температура веществаопределяется непрерывным и беспорядочным движением его молекул. Но посколькув том же курсе физики говорится еще, что молекулы слишком малы, чтобы ихвидеть, а также потому, что ощущения тепла и холода никоим образом не связываютсяс представлением о движущихся частицах, - мысль о теплоте, как о молекулярномдвижении, обычно не ощущается нами как реальность.
Ботаник Броун в 1827 году, наблюдая в микроскоп пыльцу некоторых цветов,обнаружил, что она находится в непрерывном приплясывании. Броуновское движениемельчайших твердых пылинок, взвешенных в воде, легко можно увидеть. Капните,например, обычной китайской туши или акварели на предметное стеклышко микроскопаи, накрыв каплю другим стеклом, взгляните на нее при довольно большом увеличенииобычного оптического микроскопа. Вы увидите, что частицы помельче носятсяв совершенно сумасбродной джиге. Сколько бы вы ни смотрели на этот танец,он будет продолжаться. А за танцем кроется вот что. Сами частицы туши иликраски имеют что-нибудь около микрона в поперечнике, то есть они в несколькотысяч раз больше окружающих их молекул жидкости. Молекулы носятся взад-впередсовершенно беспорядочным образом. Наши частицы вовлекаются в эту толчею.Те частицы, что покрупнее, никак не реагируют на толчки, а вот для частицпомельче молекулярные толчки оказываются чувствительными, они прыгают отних в разные стороны так, что все это видно в обычный оптический микроскоп.
После того как вы увидели своими глазами броуновское движение, вашепредставление о природе теплоты будет уже совсем иным. Теперь вы можетесказать, что не просто заучили какие-то объективные научные истины, а ужена ты с кинетической теорией тепла. Разница примерно такая же, как читатьо заходе солнца и самому наблюдать закат.
То же самое и с дислокациями. Абстрактная теория становилась очень осязаемымявлением. Но как же увидеть дислокации? Прежде всего с помощью химическоготравления. Мы уже говорили, что деформированные межатомные связи болееуязвимы для химических и физических воздействий, чем недеформированные.Следовательно, если протравить кристалл (обычно в кислотном растворе),то места, где дислокации выходят на поверхность, протравятся более интенсивно,чем окружающий материал. В результате на поверхности кристалла появитсясерия так называемых ямок травления, которые обычно легко просматриваютсяв оптический микроскоп. Такая техника наблюдения дислокаций очень распространена,и специалисты, наблюдая полученные путем травления оспинки, могут сделатьдовольно далеко идущие выводы. Одним из ухищрений здесь является раскалываниекристалла надвое. Любая дислокация, существовавшая в кристалле до началаэксперимента и проходившая через плоскость раскола, будет, конечно, однойи той же на обеих половинках. Одна из половинок выбирается как контрольнаяи травится немедленно, чтобы выявить исходную дислокационную картину, адругая половинка деформируется (либо с нею ставится какой-то другой эксперимент),а уж затем травится. Сравнивая картину ямок травления на двух поверхностях,можно видеть, какие из дислокаций образовались в ходе эксперимента, а какие- передвинулись.
Травление - полезный прием, но его нельзя считать способом прямого наблюдениядислокаций. Следующий шаг в этом направлении был сделан Хиршем в Кэвендишскойлаборатории (Кембридж). Он использовал свойство очень тонкой металлическойфольги быть практически прозрачной в электронном микроскопе, а вот любыенарушения кристаллической решетки дают темные образования. Поэтому дислокациипредставляются здесь темными линиями на белом фоне.
Все это хорошо, но было бы интереснее взглянуть на движущуюся дислокацию,а для этого на нее нужно воздействовать, создав какое-то напряжение. Нелегкоприложить механическое напряжение непосредственно к фольге, которая настолькотонка, что становится прозрачной для электронного пучка. Поэтому Хирш использовалдля нагрева фольги, расширения и, стало быть, нагружения образца энергиюсамого электронного пучка. Все сработало очень хорошо, и Хирш смог снятькинофильм о дислокациях в движении. Фильм получился очень впечатляющим.Дислокации являли собой таинственную картину суетящихся мышей.
Опыты Хирша, однако, не преследовали цель увидеть индивидуальные атомыили трехмерную шахматную доску кристаллической решетки. Дислокации у Хиршабыли всего лишь черными линиями деформации на белом или сером фоне. Но,как мне кажется, чего мы действительно хотим, так это увидеть слой атомов,обрывающийся где-то в кристаллической решетке. Однако, прежде чем увидетьдислокацию в кристаллической решетке, нужно бы увидеть … саму решетку.В металлах и в большинстве обычных кристаллов параметр решетки близок к2 А. А в те времена, о которых я сейчас говорю (середина 50-х годов), самоелучшее разрешение электронного микроскопа было около 10 А. Стало быть,не было никакой надежды увидеть атомные слои обычными средствами. Эту трудностьпервым преодолел Джим Ментер, работавший в Хинкстон Холле близ Кембриджа.Он приготовил тонкие кристаллики вещества, называемого фталоцианином платины.Молекула этого органического соединения - плоская, примерно квадратная,около 12 А в поперечнике. В середине квадрата - дырка, а в этой дырке вслучае фталоцианина платины - атом платины. В кристалле эти плоские молекулыупаковываются так, что расстояние между слоями молекул оказывается 12 А,и центре каждого ряда молекул проходит линия тяжелых атомов платины, стоящихособняком от легких атомов панической молекулы. Таким образом получаютсялинии платиновых атомов в регулярном кристаллическом расположении, расстояниемежду которыми 12 А вместо обычных 2 А. Органическую часть молекулы можносчитать прозрачной набивкой, которая держит на нужном расстоянии плотные,с неясными очертаниями атомы платины.
Настраивая микроскоп на максимальное разрешение, можно было увидетьрешетку этого кристалла. Пожалуй, она была похожа на нарисованные уголькомслегка лохматые полосы на более светлом сероватом фоне - что-то вродестрок на телевизионном экране. Бросалась в глаза невероятная регулярностькристалла. При большом, увеличении бесчисленные рыхловатые полоски тянулисьидеально прямо. Конца им, казалось, нет. Число слоев было огромным. Миллионымиллионов молекул, каждая точно на своем месте.
Потребовалось внимательно пересмотреть громадное число фотографий, преждечем была найдена краевая дислокация. Она выглядела точно так же, как еерисовали вот уже двадцать лет: одна темная расплывчатая полоска оборвалась,а соседние сомкнулись, чтобы ликвидировать зазор (рис. 51). Ментер успелпослать эту фотографию Дж. Тэйлору как раз вовремя - к его семидесятилетию.
Рис. 51. Первая прямая фотография краевой дислокации,полученной Дж.В. Ментером. Большой размер молекулы фталоцианина платиныпозволил увидеть в электронном микроскопе расстояние между атомами.
Нужно сказать, на нас, работавших в Хинкстоне в то время, эти картинки,выходившие мокрыми из фотокомнаты, оказывали магическое воздействие.
Опыты Ментера по визуализации атомных слоев и дислокаций в них с помощьюэлектронного микроскопа были очень убедительными, это сделало их знаменитыми.
Однако существует и другой подход к той же задаче. В главе 3 мы говорили осделанной Маршем очень чувствительной разрывной машине для усов и других тонкихволокон Эта машина может обнаруживать удлинения попядка 4-5 А, что примерноравно разрешению современного электронного микроскопа. Сдвиг, вызванныйиничной дислокацией, дает перемещения около 1 А и, следовательно, не может бытьзамерен на этой машине. Но источник дислокаций порождает их в таком количестве,которого хватает, чтобы произвести перемещение в 100-500 А, а это уже легкоможет быть зафиксировано машиной Марша.
Когда мы проводим обычное испытание на растяжение образца осязаемыхразмеров из любого пластичного материала (например, мягкого металла), тополучаем диаграмму напряжение - деформация в виде плавной кривой, изображеннойна рис. 52, которая хорошо знакома инженерам и металловедам. Если мы возьмемтеперь чрезвычайно тонкий, но пластичный образец (например, большой ус)и испытаем его на машине Марша, то получим нечто совершенно другое.
Рис. 52. Обычная криваянапряжение -деформация при испытании макроскопического пластичного образца.
Типичный результат испытания показан на рис. 53. Здесь мы видим упругоеудлинение, прерываемое внезапными включениями источников дислокаций. Источникиработают совершенно беспорядочно, и вызываемые ими сдвиги протекают практическимгновенно. Именно поэтому диаграмма напряжение-деформация имеет серию ступенек.Дело в том, что на каждом уровне напряжений существуют источники, готовыепородить сотни дислокаций. Но эти источники пускаются в ход беспорядочнымитепловыми толчками, подобными тем, которыми возбуждаются частицы в случаеброуновского движения. То же самое происходит и в большом образце, но встоль многих местах и столь часто, что суммарный эффект выражается плавнойкривой. Поведение малого образца с его беспорядочными и внезапными движениямиеще раз убеждает нас в реальности дислокаций.
Рис. 53. Кривая напряжение- деформация для очень малого макроскопического образца (уса) материала,испытанного на машине Марша. Пластическое удлинение происходит ступенчато,каждая ступень соответствует работе источника дислокации.
Ползучесть и жаропрочность
Следствия из всего сказанного для поведения металлов в рабочих условияхдовольно очевидны. Когда металл нагружается намного ниже предела упругости,то есть работает где-то в глубине гуковского участка кривой напряжение-деформация,удлинение материала не подвержено влиянию времени. При необходимости мымогли бы оставлять материал под нагрузкой в течение веков, не вызывая каких-либодеформаций или повреждений материала. Однако вблизи предела упругости материалстановится заметно подверженным влиянию как времени, так и температуры.Мы видели, что даже при комнатной температуре тепловые толчки активируютисточники дислокаций, так что пластическая деформация со временем накапливается:материал удлиняется, а в некоторых случаях может разрушиться. Иными словами,мы не можем назвать прочность такого материала, пока не укажем также искорость нагружения или не уточним, как долго будет действовать на материалнагрузка. Следовательно, такие конструкции, как подвесные мосты, нагруженныенепрерывно в течение многих лет, должны быть рассчитаны на меньшие напряжения,чем те конструкции, которые нагружаются ненадолго и от случая к случаю.Используемые на практике металлы обнаруживают некоторую ползучесть дажепри довольно малых напряжениях, и на это следует обращать внимание, когдаважно обеспечить точность размеров.
Нетрудно представить себе, что напряжения, при которых с ползучестьюнадо считаться, сильно зависят от температуры. В то же время температурачасто определяет вид машины в целом. Особенно она важна для тепловых машин,например таких, как газовые турбины. В целом, чем горячее нагретые частимашин, тем большего полезного эффекта можно ожидать от всей конструкции,особенно в отношении экономии горючего. Так как железо плавится при температуре,несколько превышающей 1500° C, а есть и более тугоплавкие металлы, то можнобыло бы подумать, что не существует особых трудностей в эксплуатации машинпри температуре, скажем, 1200° C. Ведь это намного ниже температуры плавления.Но дело обстоит далеко не так.
Верно, что железо не плавится ниже 1500° C. Но ведь расплавленный металлтечет под действием собственного веса, то есть при ничтожных напряжениях.А стоит нам приложить механическое напряжение, даже совсем малое, как течениеи.неизбежное разрушение появляются задолго до плавления. Прочность резкоснижается даже при сравнительно быстрых нагружениях (например, при испытанияхна обычных установках). Более того, когда элементы машин подвергаются длительномунагружению в одном направлении (например, турбинные лопатки под действиемцентробежных сил), мы должны пристально следить за ползучестью.
При кратковременных нагружениях прочность металлов изменяется с температуройприблизительно так, как показано на рис. 54. Можно сказать, что материалумирает медленно, постепенно. В качестве очень грубого рабочего правила,верного для большинства металлов, можно принять, что материал не можетиспользоваться при температурах выше половины его температуры плавления,выраженной в градусах Кельвина (градусы Кельвина = градусы Цельсия+273;см. приложение).
Рис. 54. Зависимость “кратковременной” прочности металла от температуры испытания.
Конечно, можно поднять рабочие температуры сплавов. Для этого нужнотем или иным способом затормозить движение дислокаций. Трудность здесьзаключается в том, что большинство добавок, которые можно было бы использоватьс этой целью, сами стремятся стать подвижными при высоких температурах.Все это дело чрезвычайно трудное, и, наверное, металловеды неплохо поработали,чтобы достигнуть рабочих температур около 950-1000° C на очень специальныхсплавах для турбинных лопаток. Рабочие температуры обычных сталей намногониже.
Во многих керамических материалах дислокации практически неподвижныпри температурах до 1500° C, но эти материалы, как правило, чрезвычайнохрупки при сравнительно низких температурах. Поэтому керамические материалыочень хороши для неподвижных конструкций, например в качестве огнеупоровдля печей, где они могут работать под нагрузкой при температурах, поразительноблизких к точкам плавления. Но они обычно не годятся для изготовления подвижныхдеталей машин.