Предыдущий раздел | Раздел верхнего уровня | Следующий раздел |
В 1784 году монах Р. Гаюи
выдвинул гипотезу, что кристаллы состоят из совершенно одинаковых "кирпичиков"
постоянной формы. Через 130 лет с помощью рентгеноструктурного анализа было
выяснено, что металлы имеют такое же кристаллическое строение, как и минералы.
Атомы металлов располагаются в пространстве определенным образом, образуя
кристаллическую решетку. Кристаллической ячейкой удобно изображать расположение
атомов в кристалле. В идеальной
кристаллической решетке все узлы заполнены атомами, вернее, ионами, а в
междоузлиях расположен только электронный газ.
Прочность металлов
определяется их атомно-кристаллической структурой. В 1926 году выдающийся
советский физик Я.И. Френкель подсчитал, что прочность реальных металлов во
много раз меньше теоретической. В чём же дело? Физики немало лет ломали голову
над этим вопросом. Оказалось, что реальные металлические изделия состоят из
большого числа кристаллов, которые имеют разную ориентацию кристаллической
решетки. В таком поликристаллическом агрегате кристаллы принимают неправильную
форму - их называют зернами, или кристаллитами. Кусок металла, представляющий
собой один кристалл, называют монокристаллом.
Механизм деформации
идеального кристалла состоит в сдвиге одних атомных плоскостей относительно
других. Для такого сдвига требуются значительные усилия - этим и объясняется
высокая теоретическая прочность монокристаллов по сравнению с поликристаллами
реальных металлов и сплавов. Реальные же кристаллы и металлы деформируются
постепенно за счет небольших смещений атомных слоев в области дислокаций.
Говорят, что движение дислокаций напоминает движение гусеницы. При движении лишь
у ограниченного числа атомов нарушаются связи.
Пока под влиянием
приложенной к металлу нагрузки движутся дислокации, сопротивление металла
деформации невелико. Раз так, то и прочность металла небольшая. А если движение
дислокаций затруднено, если поставленный им заслон вообще мешает им
перемещаться? Скажется ли это на прочности металла? Да, безусловно, в этом
случае металл будет труднее поддаваться деформации, и прочность его возрастет.
Следовательно, для повышения прочности металла необходимо либо устранить
дислокации вообще, либо повысить сопротивление их перемещению. При деформации
дислокации движутся подобно нитке - они способны изгибаться, цепляться за
препятствия, образовывать клубки и даже уничтожать друг друга. В клубках
плотность дислокаций достигает значительной величины, им становится очень трудно
перемещаться. Значит, образование клубков дислокаций приводит к упрочнению
металла или сплава.
Самый простой способ упрочнения металла - это пластическая деформация. С увеличением степени деформации растет количество и концентрация дислокаций, и уменьшается их подвижность. Итак, прочность металла повышается в двух случаях: когда в кристаллической решетке совершенно нет дефектов или когда плотность дислокаций достаточно большая. Конечно, увеличение плотности дислокаций ведет к упрочнению металла до определенного предела. При слишком большой плотности дислокаций образуются микроскопические трещины и металл разрушается.
Так вот, сварочный булат отличался высокой прочностью, значительно превышающей прочность стали такого же состава, потому что степень деформации при сварке стальных полос или проволоки с различным содержанием углерода была колоссальной. Не так давно металловеды произвели рентгеноструктурный анализ сварочного булата. Рентгенограммы показали, что из кристаллов металла выпали чуть ли не целые группы атомов - так велика у него оказалась плотность дислокаций. Таким образом, древние кузнецы эмпирически нашли способ приготовления очень прочного оружия.