3. Развитие представлений о строении вещества

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.