Почему мы не проваливаемся сквозь пол - Джеймс Гордон

Часть III. Металлы

Глава 8

Пластичность металлов, или интимная жизнь дислокаций

Железныя рудокопи доставляют человеку превосходнейшее и зловреднейшее орудие. Ибо сим орудием прорезываем мы землю, сажаем кустарник, обрабатываем плодовитые сады и, обрезая дикие лозы с виноградин, принуждаем их каждый год юнеть. Сим орудием выстраиваем мы домы, разбиваем камни и употребляем железо на все подобный надобности. Но тем же самым железом производим брани, битва и грабежи и употребляем оное не только в близи, но и мещем окрыленное в даль, то из бойниц, то из мощных рук, то в виде оперенных стрел. Самое порочнейшее, по мнению моему, ухищрение ума человеческого. Ибо, чтобы смерть скорее постигла человека, сделали ее крылатою, и железу придали перья. Того ради да будет вина приписана человеку, а не природе. Некоторыми опытами доказано, что железо может быть безвредно. В мирном союзе, дарованном Порсеною римскому народу, по изгнании Царей, нахожу я именно сказанным: чтобы железо употреблять не на иное что, как на земледелие.

Перевод В. Севергина, С.-Петербург, 1819.

Выше мы говорили о том, как можно повысить вязкость упругих материалов, подчиняющихся закону Гука вплоть до момента разрушения. Описанный в главе 4 механизм является практически единственным для получения полезной вязкости неметаллических материалов, и, как мы уже говорили, живая природа, по-видимому, целиком уповает на него, по крайней мере в своих достаточно жестких материалах, таких, как древесина и кость. Другое дело вязкость металлов - она не имеет, насколько мне известно, аналогий в живых организмах. Механизм сопротивления металлов хрупкому разрушению обычно называют пластичностью.

Пластичность определяется тем, насколько форма кривой напряжение-деформация отклоняется от закона Гука. В главе 3 мы уже подробно говорили о концентрации напряжений, этом проклятии для инженеров, с которым должна бороться вязкость. Как правило, в оценках концентрации исходят из того, что материал следует закону Гука. Мы говорим о концентрации напряжений, но все вычисления дают нам, по существу, концентрацию деформаций. Следовательно, если мы нашли в результате расчетов, что в непосредственной близости от кончика трещины деформация материала раз в 200 больше, чем средняя деформация в конструкции, то мы полагаем далее, что местное напряжение также в 200 раз выше среднего. Мы говорим, что в этом случае коэффициент концентрации напряжений равен 200. Однако эти рассуждения верны лишь в том случае, если для материала вблизи кончика трещины соблюдается закон Гука.

Металловеды пользуются классическим способом торможения трещины, который основан на свойстве материала пластически деформироваться. Этим свойством как раз и обладают металлы. Небольшие отклонения от закона Гука, связанные, например, с формой кривой сил межатомного взаимодействия (глава 1), здесь бесполезны, так как локальные деформации у кончика трещины обычно в сотни раз превосходят среднюю деформацию. Существует несколько разновидностей отклонений от закона Гука. Может быть, полезно поэтому рассмотреть вначале материал, в котором практически отсутствует сопротивление распространению трещин.

Чем плохи вязко-упругие материалы

Если оставить густую жидкость под постоянной нагрузкой, то через достаточно длительный промежуток времени она может практически неограниченно деформироваться. Иными словами, она будет течь. Подобно болотной топи, такая жидкость потечет, если вы будете на нее давить долго, но она успешно сопротивляется внезапным кратковременно действующим нагрузкам. Наиболее густые жидкости трудно отличить от твердых тел. К такого рода веществам относятся вар и гудрон, конфета ириска и различные пластики.

Мы уже говорили, что ириску довольно легко расколоть, а вот медленным приступом ее можно не одолеть и большей силой. То же самое относится и к вару и, что уж совсем плохо, к пластикам. Дайте пластикам время, и они будут действительно очень вязкими: они потекут вокруг головки трещины, и концентрация напряжений снизится Но как конструкционные материалы они объединяют в себе худшие качества как пластичных, так и хрупких материалов. Если их медленно нагрузить, то через некоторое время они начинают течь во всем объеме, постепенно уходя от выполнения своих прямых задач. Под внезапной нагрузкой они неспособны вовремя деформироваться и их поведение походит на поведение твердого стекла. А коль скоро побежала трещина, она вскоре достигает такой скорости, за которой механизм пластического течения уже не сможет успевать, - и материал раскалывается.

Такие материалы, как древесина и армированные пластики, при больших напряжениях тоже немного ползут, то есть ведут себя на манер вязко-упругих материалов, и это, конечно, их недостаток. Кроме того, они не вполне “гуковские”: их кривая напряжение - деформация выглядит так, как показано на рис. 47. Однако отклонения от закона Гука слишком малы, чтобы как-то понизить хрупкость этих веществ, поэтому они должны полностью полагаться на слабые внутренние поверхности, тормозящие трещины.

Рис. 47. Кривая напряжение - деформация типичного неметаллического конструкционного материала (например, древесины или стекловолокна). Отклонение от закона Гука определяется, как правило, не формой кривой межатомных сил, а небольшими эффектами ползучести.

Торможение трещин дислокациями и коррозия под напряжением

Дислокационный механизм обеспечивает весьма удачную комбинацию упругости при малых деформациях с интенсивным течением - при больших. Типичная кривая напряжение - деформация для пластичного металла схематически показана на рис. 48. Упругая деформация в таких металлах составляет намного меньше 1%. Далее их поведение напоминает пластилин, они текут при почти постоянном напряжении до удлинений 50% и более (на самом деле локальные деформации бывают значительно большими). На этом участке пластического течения материал не разупрочняется. С увеличением деформации напряжение не возрастает; но, с другой стороны, металл серьезно и не повреждается. Средняя рабочая деформация, сознательно допускаемая в технических конструкциях, редко превышает примерно 0,1%, а поскольку металл может течь локально до 100% и более, то допустимы концентрации деформаций в кончике трещины что-нибудь около 1000.

Рис. 48. Кривая напряжение-деформация для пластичного металла

На рис. 49 видно, что по обе стороны от кончика трещины есть малые области очень большого сдвига - концентрация напряжений сдвига. Напряжения здесь достаточны, чтобы заработали источники дислокаций, и, действительно, новые дислокации рождаются здесь в изобилии. В двух главных плоскостях, торчащих из трещины, словно уши, под 45° к ее поверхности, возникает сдвиг, и самая опасная концентрация напряжений снимается. Грубо говоря, это равносильно округлению головки трещины. Следовательно, хотя гриффитсов баланс энергии (глава 4) остается в пользу распространения трещины, механизм, движущий ее, оказывается бессильным из-за отсутствия нужной концентрации напряжений.

Рис. 49. Концентрация касательных (сдвиговых) напряжений у кончика трещины.

Таким образом, трещине не удается подрастать по чисто механическим причинам, и материал будет в безопасности, пожалуй, практически в 99% случаев. Работая с материалами, мы должны всегда помнить, что не существует четких и ясных линий раздела между химией, физикой и теорией упругости. Эксперты в своих замках из слоновой кости любят проводить это разделение, но ведь межатомные- то связи о них ничего не ведают. Связь может быть разрушена химическим, физическим или механическим путем, а также любой комбинацией этих способов. Упруго натянутая связь более уязвима по отношению к физическим и химическим воздействиям. По этой причине области с высоким напряжением особенно слабо сопротивляются растворителям и коррозионным средам.

Мы уже подчеркивали, что в вязких материалах баланс энергии обычно остается в пользу распространения трещины. Трещина стоит на месте лишь потому, что из-за снижения концентрации напряжений отсутствует и механизм распространения. В то же время, хотя рождение многочисленных дислокаций сильно понизило напряжения у головки трещины, оно не сбросило их полностью.