|
В основе создания сверхпрочных материалов лежит современное представление о дислокациях (искажения атомно-кристаллилических пространственных решеток) как о первопричине наблюдающегося расхождения между реальной прочностью металлов и теоретической, предсказываемой на основании атомных связей в кристаллических решетках.
Теоретическая прочность (величина касательного напряжения, необходимая для смещения кристаллических плоскостей совершенного кристалла относительно друг друга).
Реальная прочность в десятки, а иногда и в сотни раз меньше. Иначе говоря, в современных металлах используется незначительная доля, возможной их прочности.
Еще недавно считали, что процесс пластической деформации заключается в одновременном сдвиге кристаллических плоскостей одна относительно другой. Это представление не вяжется с большой величиной усилий, необходимых для преодоления атомных связей на плоскостях скольжения. Сейчас бщепризнана теория, согласно которой сдвиг происходит не сразу, а последовательными этапами (эстафетно).
Вокруг дислокаций возникают поля напряжений и образуются площадки облегченного скольжения. Достаточно сравнительно небольшого напряжения, чтобы вызвать на таком участке сдвиг кристаллических плоскостей на одно межатомное расстояние. Этот сдвиг сопровождается соответственным перемещением площадки облегченного скольжения по направлению или против направления действия силы. На новом месте расположения площадки, в свою очередь, происходит сдвиг на одно межатомное расстояние, сопровождаемый новым смещением площадки скольжения.
Таким образом, площадка скольжения, последовательно перемещаясь вдоль направления действия силы, вызывает сдвиг всей кристаллической плоскости на одно межатомное расстояние. Если сила продолжает действовать, то явление многократно повторяется, происходит макросдвиг кристаллических плоскостей. Очевидно, что такой последовательный сдвиг, требующий только местного разрыва атомных связей, происходит под действием силы, во много раз меньшей силы, необходимой для одновременного сдвига сразу всей кристаллической плоскости.
Описанный механизм возникновения и распространения сдвига является первопричиной пониженной реальной прочности металлов по сравнению с теоретической. Перемещение площадки облегченного скольжения продолжается до тех пор, пока дислокация не выйдет на поверхность кристаллического блока или не встретится с препятствием.
Движение дислокаций задерживается у точечных и линейных дефектов атомно-кристаллнческих решеток, включений примесных атомов, облаков примесей (атмосферы Котрелла), у границ фаз, кристаллических блоков и зерен. Перемещение дислокаций тормозят поперечные дислокации и дислокации одинакового направления, но противоположного знака. Разноименные дислокации, столкнувшись одна с другой, взаимно погашаются.
Следовательно, увеличение числа неоднородностей, т. е. увеличение количества примесей и числа искажений кристаллической решетки, а также измельчение кристаллических блоков упрочняют металл, создавая препятствия на пути перемещения дислокаций и блокируя их распространение.
Дислокации закономерно присущи всякому металлу и возникают в огромных количествах. Средняя плотность распределения дислокаций в сталях составляет 108 — 10 на 1 см2 поверхности.
Основные виды искажений: линейные дислокации - вклинивание лишних кристаллических плоскостей (экстраплоскостей); винтовые дислокации - спиральный сдвиг кристаллических плоскостей друг относительно друга; вакансии - отсутствие атомов в узлах кристаллических решеток; включения примесных атомов в междуузлия решетки.
Местные искажения решетки наступают при приложении внешних нагрузок, а также в зонах действия внутренних напряжений. Возникновение дислокаций может вызвать появление новых дислокаций на смежных участках. Существуют источники самопроизвольного возникновения дислокаций: две совместившиеся линейные дислокации образуют под действием напряжений непрерывно действующий генератор дислокаций (источники Франка - Рида).
Существуют два основных направления повышения прочности металлов:
1) устранение или уменьшение числа дислокаций (создание металлов правильного атомно-кристаллического строения);
2) увеличение числа неоднородностей (создание препятствий, тормозящих развитие и распространение дислокаций).
Бездефектную структуру можно получить только у очень чистых материалов и в очень малых объемах, исключающих возникновение и развитие дислокаций. Специальными методами получают нитевидные кристаллы толщиной 0,05 - 2 мкм и длиной в несколько миллиметров, так называемые усы, обладающие исключительной прочностью. Нигевидные кристаллы железа имеют прочность на разрыв 13 500 МПа, что примерно в 100 раз больше предела прочности технического железа и в 10 раз больше прочности качественных легированных сталей. Вместе с тем усы обладают весьма высокими упругими характеристиками. Упругое удлинение железных усов достигает 5%, -тогда как у технического железа оно не превышает 0,01%.
Повышенные прочность и упругость усов обязаны правильности атомно-кристаллического строения. Развитие дислокаций в усах затруднено вследствие того, что их диаметр соизмерим со средней протяженностью дислокаций. С увеличением диаметра прочность усов резко падает из-за появления дислокаций.
| 
