§ 5. Надміцність
§ 5. Надміцність
Тепер, коли читач знає, в чому причина низької реальної міцності металів, у нього може виникнути питання можливості її різкого збільшення. Дійсно, відомо, чим зазвичай обмежена величина граничної пружної або пластичної деформації, але є надпружність і надпластичність. Чому б не бути надміцністю?
Розмова про це вже була і зараз ми маємо її продовжити. Спочатку намітимо шляхи отримання надміцних матеріалів і повернемося для цього до дослідів А. Гріффітса. До свого "вигнання" з лабораторії (а пізніше Гріффіте став відомим конструктором авіаційних двигунів) він встиг встановити цікаву закономірність: чим тонші скляні волокна, тим вища їхня міцність на розрив, тобто напруга (звісно, не навантаження), яку вони можуть витримати. Гріффіт утоняв волокна, нагріваючи їх тим самим злощасним пальником і відтягуючи їх кінці. В результаті йому вдалося отримати зразки діаметром 2,5 мкм, і їхня міцність склала 3500 МПа, тоді як міцність звичайного скла ("вікнової товщини") - близько 100 МПа. Оскільки досить суворо дотримувалася обернено пропорційна залежність між міцністю і діаметром зразків, Гріффіте вважав, що він має право екстраполювати цю залежність в область дуже малих діаметрів волокон. Вийшло, що така "павутина" мала б мати міцність понад 10 4 МПа. Ця експериментальна оцінка добре збігається з теоретичною, оскільки модуль Юнга скла 7 10 4 МПа.
Аналізуючи свої результати, Гріффіте зрозумів, що зі зменшенням діаметра волокон знижується ймовірність появи в них дефектів небезпечного розміру. Надалі це становище набуло суворого обґрунтування.
Отже, перший шлях до надміцності – це зменшенняплощі перерізу матеріалу. Не будемо, однак, забувати, що зрештою нам важлива зазвичай не міцність матеріалу, а навантаження, яке він може витримати. Отже, ми можемо різко посилити конструкцію вказаним шляхом, якщо збережемо площу поперечного перерізу. Канат, зроблений з тонких тяганин, міг би в принципі витримувати значно велике навантаження, ніж монолітний стрижень такого ж діаметра, як наш канат.
Інший шлях пов'язаний з поліпшенням стану поверхні матеріалу, оскільки на поверхні завжди є нерівності, подряпини та інші дефекти, що спричиняють концентрацію напруги. До чого веде концентрація напруги, нам уже відомо. На найважливішу роль поверхні у руйнуванні прямо вказав своїм класичним експериментом один із засновників радянської школи фізиків академік А. Ф. Іоффе. У 1924 р. він виявив ефект різкого збільшення міцності кристала кам'яної солі під час випробування його під водою. Цей ефект так і називають – ефект Іоффе. Якщо у воду занурювали частину кристала, то вона, природно, ставала тоншою через розчинення, але при навантаженні кристал руйнувався по товстій (сухій) частині, хоча її переріз міг бути більшим у десятки і навіть сотні разів. Мокра частина кристала виявляла міцність, близьку до теоретичної.
Причина цього ефекту, що викликав у той час величезний інтерес фізиків та інженерів, полягає в тому, що вода розчиняє навіть найменші нерівності на поверхні кристала, роблячи її ідеально гладкою. Одного цього виявилося достатньо, щоб наблизитись до граничних значень міцності на розрив.
Але повернемося від скла та кам'яної солі до металів. Адже про кам'яну сіль можна сказати приблизно те саме, що й про алмаз. Хоча іонний зв'язок, що поєднує іони натрію і хлору в кристалічній решітцісолі не має такої суворої спрямованості, як ковалентна, але вона далеко не така гнучка, як металева. Дислокаційний механізм пластичної деформації в іонних кристалах реалізується насилу, і багато з них майже так само крихкі, як ковалентні.
У металевих кристалах дислокації рухливі, і в цьому є причина високої пластичності металів. Рух дислокацій можна утруднити, але метал все одно не буде таким крихким, як алмаз чи сіль, тому що повністю блокувати дислокацію не вдається. З іншого боку, дислокації можуть породжувати тріщини, що видно, наприклад, з рис. 46. Коли дві дислокації одного знака з'єднуються разом, під краєм двох зайвих напівплощин є вже маленька тріщина. Третя дислокація збільшить розмір цієї порожнини тощо.
Напрошується висновок: наблизитися до теоретичної міцності металевих кристалів можна тільки в тому випадку, якщо в них зовсім або майже не буде дислокацій. Як це зробити? Тут на допомогу людині прийшла сама природа. Саме в природних умовах утворилися дуже тонкі кристали різних речовин, які давно вже зустрічалися людям у мінералах, на стінах печер та ін. Інтерес до цих кристалів посилився, коли вони почали завдавати шкоди, викликаючи замикання у різного роду радіо- та електроапаратурі. Виявилося, що ниткоподібні металеві кристали – їх назвали вусами – можуть повільно рости на поверхні гальванічних покриттів, досягаючи іноді кількох сантиметрів у довжину. Діаметр їх зазвичай становить 1 – 2 мкм (рис. 90). І лише 30 років тому з'ясувалося, що металеві вуса здатні витримувати небувалу за величиною пружну деформацію - кілька відсотків, а їхня міцність близька до теоретичної.
Довелося вчитися вирощувати вуса влабораторіях, навчатися управляти процесом їх зростання, прискорювати його, оскільки в природних умовах він триває місяці та роки. Потрібно було створювати й спеціальні випробувальні мікромашини на дослідження механічних якостей об'єктів такого мінімального розміру. Але зусилля вчених винагородили. В даний час отримані вуса багатьох металів, металоїдів та різних сполук, з'ясовано причину їх надзвичайно високої міцності і вже розпочато їхнє практичне використання в техніці.
Що стосується металевих вусів, то їх висока міцність (наприклад, 1,4·10 4 МПа для заліза) обумовлена одночасною дією всіх трьох розглянутих нами факторів: вони мають дуже малий переріз (порядку 1 мкм 2 ), вони мають надзвичайно гладку поверхню (шорсткість) часто не виявляється при збільшення в десятки тисяч разів) і, нарешті, вони практично не містять дислокацій і тому не здатні до пластичної деформації.