Прочность конструкционных материалов

Прочность конструкционных материалов, наиболее важный вопрос, который решается при их создании. Чем материалы прочнее, тем большие нагрузки смгут выдержать, тем надежнее будет конструкция, меньше ее вес, эстетичнее вид. Повышение прочности при низких, нормальных и высоких температурах было и остается одной из основных задач материаловедов.

Прочность конструкционных материалов

Понимание физической природы прочности

Задача эта совсем непроста. Каждая новая ступень в ее решении требует все больших затрат сил и средств. Эффективность работы ученых в этом направлении в значительной мере зависит от понимания физической природы прочности.

А это понимание не стоит на месте. Один мудрый человек, который писал великолепные пьесы и никогда не занимался наукой — Бернард Шоу — с присущей ему афористичностью заявил:

«Наука всегда оказывается неправой. Она никогда не решит вопроса, не поставив при этом десятка новых».

Здесь Шоу прав полностью. В науке все время возникают новые вопросы, которые необходимо осмыслить и понять. И то, что вчера еще казалось легко объяснимым, сегодня может оказаться непонятным. Потому что проблема сегодня рассматривается на более глубоком уровне, чем вчера, а этот уровень требует решения задач, вчера еще никем не ставившихся.

Вопрос о прочности материалов в этом смысле не является исключением. Раньше считалось, что она определяется только прочностью межатомных связей в веществе. Это было совершенно ясно и никем не оспаривалось. Потом появилась теория дислокаций, которая утверждала, что прочность реального кристаллического материала зависит главным образом от поведения дефектов его структуры, (подробнее: Дефекты кристаллической решетки). Проблема прочности предстала в новом свете, и, чтобы глубоко разобраться в ней, пришлось ответить на многие вопросы, ранее просто не существовавшие, один из них связь между прочностью кристаллического материала и плотностью дислокаций в нем.

Технологии повышения прочности

Современная техника научилась создавать прочные материалы с помощью разнообразных технологий: термической обработки, пластической деформации, легирования, термомеханической обработки и др. Все они сводятся к созданию препятствий для движения дислокаций, главным образом за счет повышения их плотности.

Легирование металла

Например, при легировании металла, то есть добавлении к основному металлу других элементов, инородные атомы, сдерживают движение дислокаций. Дислокации обладают свойством притягивать атомы различных примесей, причем не по одному, а целыми группами — облаками. Но и этот способ не очень эффективен в смысле жаропрочности. При высоких температурах диффузия заставляет облака примесей расплываться, «размазываться» по всему объему, они перестают быть облаками и утрачивают свои упрочняющие функции.

Дисперсионное твердение

Есть такой интересный способ повышения прочности материалов — дисперсионное твердение.

0н основан на том, что растворимость одних металлов в других обычно уменьшается с понижением температуры. Например, при 823 К в алюминии может раствориться 5,6 % меди, а при 300 К — только 0,5 %. Если сплав на основе алюминия нагреть до 800 К, а затем быстро охладить в воде (закалить), то получится пересыщенный твердый раствор меди в алюминии, поскольку избыток меди не успеет выделиться. Ясно, что такой раствор неустойчивый, нестабильный, медь будет стремиться уйти из него.

Если пересыщенный сплав полежит несколько дней или недель на воздухе, избыточная медь выпадет из твердого раствора, как из варенья при длительном его хранении выпадают кристаллики сахара (варенье засахаривается). Но медь выпадает из решетки алюминия не в виде чистого металла, а в виде мельчайших частиц соединения СиАl2. Так ей удобнее, энергетически выгоднее. Поведение материалов строго следует принципу энергетической выгоды, в соответствии с которым все самопроизвольные процессы стремятся к состоянию с минимальной энергией. Это один из фундаментальных законов природы.

Вас может удивить формула СиАl2. Действительно, школьная химия умалчивает о соединениях, образованных двумя металлами. Но это не настоящее химическое соединение, оно не подчиняется законам валентности. Такие соединения называют интерметаллическими, или промежуточными, поскольку они занимают промежуточное положение между твердыми растворами и химическими соединениями. Эти соединения обычно обладают высокой твердостью и прочностью. Они-то и обеспечивают повышение прочности и твердости всего материала, поскольку именно они играют роль препятствий на пути движения дислокаций.

Если представить плоскость, по которой при деформации скользит дислокация, в виде доски, то интерметаллические частицы будут гвоздями, торчащими из этой доски. Если гвоздей много и расположены они достаточно близко друг от друга, дислокациям трудно будет пробираться между ними, и материал с такими частицами будет обладать высоким сопротивлением деформации.

Бездислокационные материалы

Известно также, что чтобы получить прочность, близкую к теоретической, нужно научиться изготавливать бездислокационные материалы. Но это как раз тот случай, когда легче сказать, чем сделать. Сначала дислокации придумали, потом обнаружили, проявив чудеса находчивости, а вот как избавиться от них — придумать долго не удавалось. Никак не могли изгнать дислокации из кристаллов. Каких только способов не изобретали, чтобы получить бездислокационные кристаллы — все безрезультатно.

Решение, как обычно бывает в таких случаях, пришло оттуда, откуда его меньше всего ждали. Ну, действительно, какая может быть связь между коротким замыканием в электрических цепях и проблемой сверхпрочных материалов? Как раз это явление помогло обнаружить бездислокационные кристаллы — металлические усы, прочность которых близка к теоретической.

 

Получать интересное на почту

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *