Текст книги "Почему мы не проваливаемся сквозь пол"

Автор книги: Джеймс Эдвард Гордон

сообщить о нарушении

Текущая страница: 15 (всего у книги 20 страниц)

Краевые и винтовые дислокации

Теория дислокаций чрезвычайно сложна и в конце-то концов наибольший интерес она представляет, по-видимому, для узких специалистов. Однако нам следует упомянуть о двух основных типах дислокаций – краевой и винтовой. Краевая дислокация была введена в обиход Дж. Тэйлором в 1934 году. Она проще и легче для понимания. Как мы уже говорили о ней в главе 3 (рис. 28), она создана, по существу, лишним слоем атомов, вдвинутым в кристалл словно лист бумаги, наполовину вложенный между страницами книги. Краевые дислокации могут возникнуть в процессе образования кристалла. Примером их могут служить так называемые “малоугловые границы”: когда два растущих кристалла встречаются под небольшим углом и соединяются вместе, образуя сплошное тело, линия их соединения оказывается цепочкой краевых дислокаций, которые впоследствии могут, конечно, перебраться на новые места.

Существование винтовых дислокаций предсказал в 1948 году Франк. Они понадобились ему не столько для объяснения механических свойств кристаллов, сколько для объяснения их роста. Переход атомов или молекул из раствора или из пара и более или менее непрерывное осаждение их на растущем твердом кристалле сопровождается изменением энергии системы. Пойдет или не пойдет такой процесс – зависит от так называемого пересыщения, грубо говоря, от того насколько охотно молекулы покидают раствор или пар. Можно, например охладить раствор сахара или соли значительно ниже температуры, при которой должны расти кристаллы, а кристаллы не появятся, пока не окажется для них подходящей поверхности.

Для гладкой плоской поверхности можно вычислить степень пересыщения, которой можно достичь без выпадения материала. Она оказывается довольно большой. Франка занимало, что на практике многие кристаллы растут себе на здоровье при пересыщениях, которые намного меньше теоретически рассчитанных для присоединения атомов к плоской поверхности. И в самом деле, если бы нам всегда пришлось осаждать кристаллы только на плоскую поверхность, многие кристаллы вряд ли вообще были бы получены. Но можно показать, что если поверхность имеет нерегулярность, неровность, такую, как, например, ступенька высотою хотя бы в одну молекулу, – осаждение будет намного легче.

Ступенька дает довольно уютное пристанище блуждающим молекулам, которые стремятся осесть именно здесь. Так и каменщик кладет кирпичи на уступе кладки. И точно так же, как и в случае кирпичной кладки, добавив один элементик, мы не уничтожим ступеньку, а лишь переместим ее вдоль верхушки стены. Этот механизм в действии наблюдали Банн и Эммет в 1946 году. Напомним, что именно так 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 возродиться ступенька, чтобы начал расти следующий слой?

Ответ Франка был блестяще прост. Кристаллы никогда не строятся, как дома, из слоев кирпича. Ступенька роста никогда не исчезает на кромке, потому что кристалл строится подобно винтовой лестнице. Значит, кристалл просто “накручивается” сам на себя, все время используя одну и ту же ступеньку. Подобно тэйлоровой гипотезе о краевых дислокациях, идея о винтовых дислокациях покоряла своей логикой, и интуитивно казалось, что она должна быть верной. Так оно и получилось. Вскоре Форти и другие экспериментаторы подтвердили существование 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 некоторую линию по оси винта. Это и есть сама дислокация. Как и в случае краевой дислокации, межатомные связи здесь сильно деформированы, хотя ничего подобного отверстию, в обычном смысле этого слова, нет. Но вот усы довольно часто бывают полыми, трубчатыми. Возможная причина этого в том, что такие усы росли с винтовой дислокацией, ступенька которой была высотой не в одну, а в несколько молекул. Если так, то тогда деформации в ядре дислокации могут быть очень большими. Следовательно, кристалл может предпочесть энергии деформации поверхностную энергию, то есть расти с отверстием посередине.

Как случается с большинством удачных гипотез, с гипотезой о винтовой дислокации перестарались: с нею связывался почти каждый аспект роста почти каждого вида кристаллов. Сегодня, по-видимому, ясно, что многие кристаллы обходятся 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 винтового типа. Дислокационная линия может начаться как краевая, а закончиться – как винтовая, и наоборот. А между началом и концом она может быть отчасти винтовой, а отчасти – краевой. В таких случаях говорят, что дислокация имеет винтовую и краевую компоненты. Но правила движения двух типов дислокаций неодинаковы, 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 другой стороны, нельзя сказать, что знания о дислокациях привели к каким-то радикальным усовершенствованиям механических свойств материалов. Что касается металлов, то можно, пожалуй, сказать, что большая часть возможных и важных улучшений была сделана еще традиционными эмпирическими методами, а роль дислокационной теории свелась к объяснению того, почему и как эти улучшения получились.

(обратно)

Наблюдение дислокаций

Какой правдоподобной и логичной ни была бы научная гипотеза, для большинства людей она остается все-таки голой абстракцией, пока нельзя будет что-то потрогать собственными руками или увидеть собственными глазами. Косвенных или математических доказательств для них недостаточно. Примером может служить тепловая теория. Из элементарной физики каждый знает, что температура вещества определяется непрерывным и беспорядочным движением его молекул. Но поскольку в том же курсе физики говорится еще, что молекулы слишком малы, чтобы их видеть, а также потому, что ощущения тепла и холода никоим образом не связываются с представлением о движущихся частицах, – мысль о теплоте, как о молекулярном движении, 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 движение мельчайших твердых пылинок, взвешенных в воде, легко можно увидеть. Капните, например, обычной китайской туши или акварели на предметное стеклышко микроскопа и, накрыв каплю другим стеклом, взгляните на нее при довольно большом увеличении обычного оптического микроскопа. Вы увидите, что частицы помельче носятся в совершенно сумасбродной джиге. Сколько бы вы ни смотрели на этот танец, он будет продолжаться. А за танцем кроется вот что. Сами частицы туши или краски имеют что-нибудь около микрона в поперечнике, то есть они в несколько тысяч раз больше окружающих их молекул жидкости. Молекулы носятся взад-вперед совершенно беспорядочным образом. Наши частицы вовлекаются в эту толчею. Те частицы, что покрупнее, никак не реагируют на толчки, а вот для частиц помельче молекулярные толчки оказываются чувствительными, они прыгают от них в разные стороны так, что все это видно в обычный оптический микроскоп.

После того как вы увидели своими глазами броуновское движение, ваше представление о природе теплоты будет уже совсем иным. Теперь вы можете сказать, что не просто заучили какие-то объективные научные истины, а уже на ты с кинетической теорией тепла. Разница примерно такая же, как читать о заходе солнца и самому наблюдать закат.

То же самое и с дислокациями. Абстрактная теория становилась очень осязаемым явлением. Но как же увидеть дислокации? Прежде всего с помощью химического травления. Мы уже говорили, что деформированные межатомные связи более уязвимы 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 появится серия так называемых ямок травления, которые обычно легко просматриваются в оптический микроскоп. Такая техника наблюдения дислокаций очень распространена, и специалисты, наблюдая полученные путем травления оспинки, могут сделать довольно далеко идущие выводы. Одним из ухищрений здесь является раскалывание кристалла надвое. Любая дислокация, существовавшая в кристалле до начала эксперимента и проходившая через плоскость раскола, будет, конечно, одной и той же на обеих половинках. Одна из половинок выбирается как контрольная и травится немедленно, чтобы выявить исходную дислокационную картину, а другая 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 наблюдения дислокаций. Следующий шаг в этом направлении был сделан Хиршем в Кэвендишской лаборатории (Кембридж). Он использовал свойство очень тонкой металлической фольги быть практически прозрачной в электронном микроскопе, а вот любые нарушения кристаллической решетки дают темные образования. Поэтому дислокации представляются 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. Нелегко приложить механическое напряжение непосредственно к фольге, которая настолько тонка, что становится прозрачной для электронного пучка. Поэтому Хирш использовал для нагрева фольги, расширения и, стало быть, нагружения образца энергию самого электронного пучка. Все сработало очень хорошо, и Хирш смог снять кинофильм о дислокациях в движении. Фильм получился очень впечатляющим. Дислокации являли собой таинственную картину суетящихся мышей.

Опыты Хирша, однако, не преследовали цель увидеть индивидуальные атомы или трехмерную шахматную доску кристаллической решетки. Дислокации у Хирша были 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 увидеть дислокацию в кристаллической решетке, нужно бы увидеть … саму решетку. В металлах и в большинстве обычных кристаллов параметр решетки близок к 2 А. А в те времена, о которых я сейчас говорю (середина 50-х годов), самое лучшее разрешение электронного микроскопа было около 10 А. Стало быть, не было никакой надежды увидеть атомные слои обычными средствами. Эту трудность первым 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 в случае фталоцианина платины – атом платины. В кристалле эти плоские молекулы упаковываются так, что расстояние между слоями молекул оказывается 12 А, и центре каждого ряда молекул проходит линия тяжелых атомов платины, стоящих особняком от легких атомов панической молекулы. Таким образом получаются линии платиновых атомов в регулярном кристаллическом расположении, расстояние между которыми 12 А вместо обычных 2 А. Органическую часть молекулы можно считать прозрачной набивкой, которая держит на нужном расстоянии плотные, с неясными очертаниями атомы платины.

Настраивая микроскоп на максимальное разрешение, можно было увидеть решетку этого кристалла. Пожалуй, она была похожа на нарисованные угольком слегка лохматые полосы на более светлом сероватом фоне – что-то вроде строк на телевизионном экране. Бросалась в глаза невероятная регулярность кристалла. При большом, увеличении бесчисленные рыхловатые полоски тянулись идеально прямо. Конца им, казалось, нет. Число слоев было огромным. Миллионы миллионов молекул, каждая точно на своем месте.

Потребовалось внимательно пересмотреть громадное число фотографий, прежде чем была найдена краевая дислокация. Она выглядела точно так же, как ее рисовали вот уже двадцать лет: одна темная расплывчатая полоска оборвалась, а соседние сомкнулись, чтобы ликвидировать зазор (рис. 51). Ментер успел послать 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 платины позволил 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 помощью электронного микроскопа были очень убедительными, это сделало их знаменитыми.

Однако существует и другой подход к той же задаче. В главе 3 мы говорили о сделанной Маршем очень чувствительной разрывной машине для усов и других тонких волокон Эта машина может обнаруживать удлинения попядка 4-5 А, что примерно равно разрешению современного электронного микроскопа. Сдвиг, вызванный иничной дислокацией, дает перемещения около 1 А и, следовательно, не может быть замерен на этой машине. Но источник дислокаций порождает их в таком количестве, которого хватает, чтобы произвести перемещение в 100-500 А, а это уже легко может быть зафиксировано машиной Марша.

Когда мы проводим обычное испытание на растяжение образца осязаемых размеров из любого пластичного материала (например, мягкого металла), то получаем диаграмму напряжение – деформация в виде плавной кривой, изображенной на рис. 52, которая хорошо знакома инженерам и металловедам. Если мы возьмем теперь чрезвычайно тонкий, но пластичный образец (например, большой ус) и испытаем его на машине Марша, то получим нечто совершенно другое.

Рис. 52. Обычная кривая напряжение -деформация при испытании макроскопического пластичного образца.

Типичный результат испытания показан на рис. 53. Здесь мы видим упругое удлинение, прерываемое внезапными включениями источников дислокаций. Источники работают совершенно беспорядочно, и вызываемые ими сдвиги протекают практически мгновенно. Именно поэтому диаграмма напряжение-деформация имеет серию ступенек. Дело в том, что на каждом уровне напряжений существуют источники, готовые породить сотни дислокаций. Но эти источники пускаются в ход беспорядочными тепловыми толчками, подобными тем, которыми возбуждаются частицы в случае броуновского движения. То же самое происходит и в большом образце, но в столь многих местах и столь часто, что суммарный эффект выражается плавной кривой. Поведение малого образца с его беспорядочными и внезапными движениями еще 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.

(обратно)

Ползучесть и жаропрочность

Следствия из всего сказанного для поведения металлов в рабочих условиях довольно 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 мы могли бы оставлять материал под нагрузкой в течение веков, не вызывая каких-либо деформаций или повреждений материала. Однако вблизи предела упругости материал становится заметно подверженным влиянию как времени, так и температуры. Мы видели, что даже при комнатной температуре тепловые толчки активируют источники 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 и скорость нагружения или не уточним, как долго будет действовать на материал нагрузка. Следовательно, такие конструкции, как подвесные мосты, нагруженные непрерывно 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 даже при довольно малых напряжениях, и на это следует обращать внимание, когда важно обеспечить точность размеров.

Нетрудно представить себе, что напряжения, при которых с ползучестью надо считаться, сильно зависят от температуры. В то же время температура часто определяет вид машины в целом. Особенно она важна для тепловых машин, например таких, как газовые турбины. В целом, чем горячее нагретые части машин, 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 можно было бы подумать, что не существует особых трудностей в эксплуатации машин при 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 металл течет под действием собственного веса, то есть при ничтожных напряжениях. А стоит нам приложить механическое напряжение, даже совсем малое, как течение и.неизбежное разрушение появляются задолго до плавления. Прочность резко снижается даже при сравнительно быстрых нагружениях (например, при испытаниях на обычных установках). Более того, когда элементы машин подвергаются длительному нагружению в одном направлении (например, турбинные лопатки под действием центробежных сил), мы должны пристально следить за ползучестью.

При кратковременных нагружениях прочность металлов изменяется с температурой приблизительно так, как показано на рис. 54. Можно сказать, что материал умирает медленно, постепенно. В качестве очень грубого рабочего правила, верного для большинства металлов, можно принять, что материал не может использоваться 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 нужно тем или иным способом затормозить движение дислокаций. Трудность здесь заключается в том, что большинство добавок, которые можно было бы использовать с 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 специальных сплавах для турбинных лопаток. Рабочие температуры обычных сталей намного ниже.

Во многих керамических материалах дислокации практически неподвижны при температурах до 1500° C, но эти материалы, как правило, чрезвычайно хрупки при сравнительно низких температурах. Поэтому керамические материалы очень хороши для неподвижных конструкций, например в качестве огнеупоров для печей, где они могут работать под нагрузкой при температурах, поразительно близких к точкам плавления. Но они обычно не годятся для изготовления подвижных деталей машин.

(обратно) (обратно)

Глава 9

Железо и сталь, или Гефест средь чертовых мельниц

Я пошлю им локомотив, он будет Великим Миссионером.

Дж. Cтефенсон

Древесина и камень всегда были наиболее распространенными материалами конструкций, металлы же – относительно новое приобретение техники. Поэтому все мы осознаем новаторскую роль металлов, хотя, как мы видели, общий тоннаж используемых металлов все еще уступает старым материалам. Но металлы, особенно железо, как нельзя лучше подошли для того рода машин, которые были проклятием и славой промышленной революции. Именно благодаря разработке дешевых методов получения и обработки железа в больших количествах появилась возможность механизации труда. Сталь, как известно, стала дешевым материалом только во второй половине XIX века, когда главные события промышленной революции были уже позади.

Однако, будучи материалом необходимым, железо использовалось в большинстве первых машин, даже в паровых машинах, все же весьма ограниченно. В первом фултоновском пароходе, плававшем по Гудзону, даже котел (невероятно!) был деревянным; нагрев воды производился в отдельном устройстве из железных труб. Правда, американцы считали, что это уж чересчур, но и на американских речных пароходах дерево использовалось тогда в такой степени, которая современному инженеру кажется почти невероятной. А ведь такие пароходы обеспечивали большую часть внутриамериканского грузооборота вплоть до 60-х годов прошлого столетия.

Вообще говоря, использование металлов требует решения двух проблем. Во-первых, металл должен быть получен из руды, этим занимается металлургия. Во-вторых, нужно перевести металл в наиболее полезное состояние с точки зрения твердости, прочности и вязкости; подсказать здесь необходимые пути призвано металловедение. Как мы уже видели, чистые металлы обычно очень мягки, поэтому металловеды занимаются в основном торможением дислокаций, но лишь в такой мере, чтобы упрочнить металл, не вызвав его охрупчивания. Поскольку металлы из руды часто получаются в нечистом виде, их экстракция (извлечение) и последующая обработка должны рассматриваться совместно.

Химические и технологические особенности обработки могут варьироваться очень широко, но в каждом случае цепь остается одной и той же: управление подвижностью дислокаций путем изменения структуры и размеров кристаллов (дислокации могут пересекать границы между отдельными зернами, но для этого они должны преодолеть определенное сопротивление) или с помощью добавок легирующих элементов. Легирование сплавов может дать такой результат, который затормозит дислокации как раз в нужной степени. Очень малые частицы, даже единичные атомы примеси, могут застопорить продвижение дислокационной линии, если эта линия натолкнется на них. Можно вычислить напряжение, необходимое для того, чтобы сначала выгнуть дислокацию в дугу между точками закрепления, а затем и оторвать ее от них. Это напряжение зависит от расстояния между этими точками, которое становится, таким образом, полезным и мощным средством управления свойствами сплава. Почти любая добавка к металлу будет влиять на его механические свойства в лучшую или худшую сторону, а иногда и в ту и в другую сторону сразу: некоторые добавки полезны, когда они рассеяны по всему объему, и вредны, когда, собираясь на границах зерен, серьезно ослабляют металл (см. главу 3).

Если мы возьмем число всех пластичных металлов и умножим его на число возможных механизмов упрочнения, то окажется, что количество взаимосвязей и комбинаций в металловедении будет весьма большим, отчего сам предмет покажется уже очень сложным. Однако для неспециалиста, интересующегося лишь принципами и конечными результатами, все следствия происходящих в металлах процессов можно представить в достаточно простом виде.

Посмотрите на табл. 2 (гл. 10). В нее внесены многие технические металлы, и хотя плотность их весьма различна – от 10,5 г/см3 у молибдена до 1,7 г/см3 у магния, – модуль Юнга, деленный на плотность, удельный модуль Юнга, оказывается для них всех величиной постоянной. Существуют, правда, некоторые широко применяемые металлы и сплавы (например, медь и латуни), для которых удельный модуль упругости немного ниже. Но пластичных металлов с более высокой удельной жесткостью нет. Таким образом, почти все используемые металлы дают ту жесткость, за которую заплачено их собственным весом, – ни больше, ни меньше.

Как уже говорилось, все эти металлы в чистом состоянии очень мягкие, и задача металловедов состоит в том, чтобы поднять их прочность и твердость, не допуская чрезмерного охрупчивания. Если судить по деформации, успехи металловедения отличаются удивительным постоянством. Обычно максимальная упругая деформация, которую можно получить на металле без придания ему недопустимой хрупкости, колеблется около 1%. Однако в большинстве случаев инженеры считают металлы в таком состоянии малопластичными и потому малопригодными и, как правило, вынуждены ограничиться максимальной упругой деформацией между 0,25 и 0,5%, тогда , как остаточное удлинение может доходить до 50-60%.

Следовательно, весьма приближенно все металлы можно считать членами одного семейства с очень схожими удельными жесткостями, удельными прочностямн и удлинениями. Конечно, это очень грубое обобщение, и уж совсем не так стоит вопрос для металловедов, которые упорно продолжают предпринимать попытки получить лучшие комбинации удельной прочности и вязкости (с удельной жесткостью ничего не поделаешь), хотя возможности их здесь довольно ограниченны. Металловеды достигли успехов в попытках сохранить прочность с повышением температуры. Во многих случаях это важнее, чем повышение прочности при комнатной температуре.

Нет нужды описывать здесь специальные металлургические процессы и различные виды обработки всех металлов и сплавов. На эту тему написано множество книг. Однако огромная социальная и техническая значимость железа и стали заставляет рассказать о них немного подробнее. Приступая к делу, я слишком хорошо отдаю себе отчет в размерах и трудностях этого предмета. Возможно перед началом я должен принести какую-то жертву Гефесту, кузнецу и оружейнику Олимпа, единственному технологу, принятому в круг главных богов.

(обратно)