"Портрет трещины" - читать интересную книгу автора (Финкель Виктор Моисеевич)

БЕСЦЕННЫЙ ПОРОК

Итак, почему?

Этот вопрос был одним из самых важных в ряду тех, которые вызваны работой Я. И. Френкеля. Но не единственным. Непонятно было и то, почему прочность реальных кристаллов в сотни и тысячи раз меньше теоретической. Почему чистые металлы мягче сплавов? Почему поликристаллические – тверже монокристаллических? Двадцатые годы на эти вопросы не принесли серьезных ответов.

1934 год был переломным. Английский физик Г. Тейлор из Кэмбриджского университета и венгерский ученый Е. Орован выдвинули гипотезу: в кристаллах существует особый дефект – дислокация, решительным образом меняющая свойства кристаллического материала. Исходили при этом из того, что если бы кристалл был идеальным, то для его деформирования нужно было бы приложить напряжения, равные теоретической прочности. А коль скоро реальные напряжения деформирования незначительны, должен существовать какой-то кон-

центратор, сосредоточивающий приложенное усилие в небольшой части кристалла. Его «построили» так Рассмотрели кристалл как толстую книгу, где атомные слои моделировались листами бумаги. А потом вложили еще один лист размером в полстраницы. По выражению поэта О. Мандельштама, эдакий «журавлиный клин в чужие рубежи». Понятно, что атомный ряд этой полустраницы (его называют экстраплоскостью) обрывается в пространстве. Представим себе далее плоскость скольжения, перпендикулярную листам и проходящую по краю экстраплоскости. По обе стороны от плоскости скольжения атомы наладили между собой взаимодействие, «вцепились» друг в друга. А атом на краю экстра-плоскосги одинокий: ведь у него нет визави – атома напротив. А между тем «желание» вступить в контакт есть. Вот этот-то атом со своей экстраплоскостью и способен творить чудеса.

Приложили мы к кристаллу сдвигающее усилие. Атомы впереди и позади дислокации, за исключением двух-трех по обе ее стороны, крепко держатся один за другой. Иное дело наш «одинокий волк». Ведь в исходном состоянии он находился точно посредине между двумя атомами нижнего ряда и немного выше их. Но вот внешнее усилие слегка сместило его влево. Воспользовавшись этим, он «сцепился» с левым атомом нижнего ряда, оторвав его у прежнего соседа сверху. При этом он перестал быть краем экстраплоскости и вступил в сообщество обычных атомов, – хорошо быть незаметным, как все! Да и экстраплоскость перестала быть экстраплоскостью; ею стала другая, начинающаяся со вновь появившегося «обездоленного» атома, покинутого своим собратом. Расположилась она левее на одно межатомное расстояние. Но вот наладили опять атомы прочный контакт между собой, подтянули свои ряды и оказалось, что дислокация сместилась на одно межатомное расстояние влево. Еще один фокус-смещение, разрыв, новый союз,- и дислокация передвинулась еще левее. И пошло, и пошло… Побежала дислокация влево по кристаллу, каждый раз меняя атомы в своей экстраплоскости, чтобы каждый раз сохранять ее и свою форму.

Прав будет читатель, который задаст прямой вопрос: а откуда она взялась эта дислокация? Ведь не вставляем же мы каждый раз слой новых атомов, как лист в книгу?

Конечно нет! Это наиболее сложный и не полностью выясненный вопрос во всей многотомной теории дислокаций. Существует ряд процессов, при которых дислокации зарождаются в кристаллах, например при кристаллизации из расплава. Возникают дислокации и при сдавливании некоторых микроскопических пор в материале. Роль «родителей», выращивающих дислокации, могут играть другие дислокации. Но повторяю – сложный это вопрос.

Рассмотрим лучше чисто умозрительно эпизод, не имеющий места в жизни, но тем не менее очень удобный как пример для объяснения. Приложили мы сдвигающее усилие к боковой поверхности кристалла и сжали его верхнюю часть так, чтобы сверху над плоскостью скольжения гри атома оказались над двумя нижними. Для этого нам потребовалось сдеформировать кристалл на одно межатомное расстояние. Зато мы получили почти настоящую дислокацию. Если и теперь оказывать давление, то дислокация побежит. Как это происходит, мы уже обсуждали. Грубо говоря, одинокий атом на краю экстраплоскости получает возможность «пожать руку» своему визави и, подтягиваясь, передать функции экстраплоскости другому ряду атомов. Если бы мы нанесли сетку параллелей и меридианов, идущих точно по атомным рядам, то с появлением дислокации карта эта потеряла бы свою геометрическую строгость и правильность.

Почти совсем, как у Сергея Наровчатова: А сейчас сместились меридианы И сжались гармошкою параллели

Справа от дислокации верхняя и нижняя части кристалла смещены на одно межатомное расстояние. А слева от нее сдвига нет. По мере движения дислокации влево за ней тянется сдеформированная область. И когда дислокация пробежит по всему кристаллу и «выскочит» на его поверхность, окажется, что вся верхняя половина кристалла сдвинулась относительно нижней на одно межатомное расстояние. А дислокация при этом исчезла.

Итак, что же такое дислокация? Это линейный дефект кристаллической решетки. Почему линейный? Очень просто – это край экстраплоскости. На чертеже он выглядит точкой, одним атомом. А в действительности этих самых «одиноких волков» много – они сидят на краю экстраплоскости по всей ее протяженности, пер-

пендикулярной чертежу, и каждый из них жаждет «уйти в тень», перейти в статус рядового атома. Но за это он должен «поплатиться» сменой соседа ниже плоскости скольжения, то есть премещением дислокации на одно межатомное расстояние.

Следовательно, дислокация-это линия, нить. Ее движение означает: дислокация осуществляет пластическую деформацию кристалла. Перед нею деформации нет, за ней – есть. Какова же ее толщина? В нашей схеме – один атом; в действительности «потолще», 5-б атомов. А какова ее длина? Она примерно равна размеру кристалла, то есть может составить несколько миллиметров и даже сантиметров. Толщина, таким образом, стомиллионные доли сантиметра, а длина – сантиметры. Ну, чем не нить?

Да, поведение дислокаций подобно поведению тонкого волокна – они способны изгибаться, цепляться за дефекты, а иногда и образовывать ткань из переплетающихся линий. А как вы знаете, тканевый материал обладает довольно высокой прочностью. Поэтому когда множество дислокаций сплетаются, они мешают друг другу двигаться и делают кристаллический материал прекрасно сопротивляющимся пластической деформации, то есть более прочным. В монокристаллах дислокаций не слишком много. Примерно по миллиону на квадратный сантиметр. Эта цифра велика, но из-за того, что дислокации распределены неравномерно, довольно большие пространства кристалла от них свободны. И если в этом районе появилась дислокация, она распространяется без затруднений. Поэтому монокристаллы не слишком прочны.

Иное дело поликристаллический материал, например, сталь. Плотность дислокаций в ней в тысячи и миллионы раз выше, чем в монокристалле. При этом уже дислокации не могут двигаться независимо друг от друга. Они взаимодействуют. Нити дислокаций образуют сложную пространственную структуру, напоминающую клубки переплетенные, запутанные. Понятно, что такой металл труднее деформировать. Он оказывается прочнее.

В сплавах возникают новые явления. Дело в том, что примеси – легирующие атомы – стремятся окружить край экстраплоскости. Грубо говоря, они тяготеют к «одинокому волку», ведь он постоянно ищет себе собратьев. Кроме того, оказывается, дислокация обладает способ-

ностью создавать вокруг себя поле упругих напряжений. Оно как бы засасывает инородные атомы. В результате линия дислокации, тоненькая и элегантная в чистых металлах, полнеет и расплывается в легированных. При этом она теряет подвижность, а иной раз попросту не способна перемещаться в пространстве – легирующие и окружающие ее чужеродные атомы играют роль гвоздей, «прибивающих» ее к кристаллической решетке. Ну, а если дислокация неподвижна, пластической деформации быть не может. Следовательно, легированные металлы прочнее нелегированных.

Теперь нам ясно, что изобилие дислокаций ведет к подавленной пластичности, а значит, к высокой прочности металла. Означает ли это, что всегда нужно много дислокаций, чтобы прочность была высокой? Такая постановка вопроса была бы слишком прямой, чтобы оказаться правильной.

И действительно, как быть с усами? У них почти теоретическая прочность; сколько же в них дислокаций? Наверное, очень много? В том-то и дело, что дислокаций в усах почти нет. Бывают нитевидные кристаллы, в которых одна дислокация, а имеются такие, в которых дислокаций нет вообще. Оказывается, именно такие бездис-

покзционные кристаллы и обладают предельной прочностью.

Если вдуматься, то противоречия здесь нет. Главное заключается в том, что для получения высокой прочности нужно «подавить» пластичность. А это можно осуществить двумя способами. Либо исключить основной инструмент пластической деформации – дислокацию, либо «набить» их в металл столько, чтобы они из-за тесноты и двинуться не могли. Первый случай имеет место в бездислокационных кристаллах – усах. Второй – в специально термически обработанной стали с высокой плотностью дислокаций.

Таким образом, дислокация – это великое благо (или зло!), позволяющее нам понимать явления, происходящие в кристаллических материалах, и сознательно влиять на них. Меняя лишь одну плотность дислокаций, мы можем в широких пределах получать нужную нам прочность. И не только ее. Дислокации влияют почти на все свойства металлов. И на их вязкость, и на электросопротивление, и на магнитные качества. Думаю, что почти все в металле, с чем связан небескорыстный интерес к ним человека, зависит от дислокаций: их количества, расположения, качества.

Что значит качества? Не оговорился ли я? Нет, не оговорился. Оказывается, существуют дислокации по крайней мере двух видов. Ту дислокацию, с которой мы имели дело до сих пор, называют обычной краевой. Смысл этого термина опирается на существование экстраплоскости ее кромки – края. Есть еще один, не менее важный вид дислокации – винтовой. Экстраплоскости у такой дислокации нет и напоминает она ножницы, режущие тонкий лист жести. При этом одна половина листа идет вниз, а противоположная вверх. Ножницы как бы скручивают две половины листа по отношению друг к другу. Но ножницы металл режут, а винтовая дислокация его просто сдвигает. Чем-то она похожа на тупые ножницы, не способные разрезать, а только сминающие металл, деформирующие его. После того, как винтовая дислокация пробежит по металлу, части его окажутся повернутыми одна по отношению к другой. Так же, как в случае с краевой дислокацией, перед дислокацией деформации нет, а позади нее – есть.

Итак, существуют два вида дислокаций – краевая и винтовая. Что-то вроде двух фамилий, двух кланов.

Но кроме фамилий, дислокации должны иметь и имена- краевых дислокаций великое множество и их надо каким-то образом различать. Основные признаки дислокации – величина и направление осуществляемого ею сдвига. Ведь сдвиг в кристалле может проходить по различным плоскостям. И после прохождения дислокации могут взаимно сместиться на различную величину. Эти два обстоятельства учитывают в физике твердого тела введением вектора Бюргерса. Его величина и направление и есть «имя и отчество» дислокации. Так и говорят: дислокация винтовая с вектором Бюргерса в одно межатомное расстояние, направленным по ребру куба. Но на практике все буднично: обозначается вектор Бюргерса буквой Ъ и равен он, например, а [III]. Означает это следующее: ориентирован вектор Бюргерса по диагонали куба и величина его составляет а У~Ъ, то есть равна этой диагонали.

Подведем итог. Пластическая деформация кристаллов осуществляется дефектами – дислокациями. Особенностью их является способность сосредоточить усилие, приложенное к плоскости скольжения на одном маленьком «пятачке», благодаря чему дислокации движутся легко и быстро. Чем-то распространение дислокации напоминает «походку» гусеницы, у которой каждый шаг – это перемещение складки, морщины (вспомните эпиграф к этой части главы!).

Иногда дислокацию представляют себе иным образом. Ковер на полу двигать тяжело. Образуйте на нем морщину и тогда его легко можно передвинуть ногой. В итоге, ковер окажется смещенным на длину складки. То же самое можно сделать и с мокрой клеенкой.

Дислокация – это абстракция, научный вымысел или будничная реальность? Конечно же, реальность! Во времена Тейлора она была лишь теоретической схемой, хорошей идеей, моделью. Но сегодня десяток методов позволяет нам видеть дислокацию так же ясно, как прохожего на улице, наблюдать за ней с помощью электронного микроскопа, рентгеновских лучей и самого обыкновенного оптического микроскопа.

Как не вспомнить Иосифа Уткина, который задолго до наступления нашего торжества над дефектами писал:

…Он усом не раз и

не два отмечал Большой дислокации метки…

Но зачем мы всем этим занимаемся? Ведь нас-то интересует разрушение! А при чем же здесь дислокация? Какое отношение имеют они к трещинам? Такие вопросы, наверное, хотел бы задать мне читатель, обладающий даже умеренным чувством осторожности и скепсиса. Ответ прост. Дело, оказывается, в том, что дислокации держат в своих руках ключ от мира прочности кристаллических материалов. Именно с ними и связан окончательный «диагноз».