Различают теоретическую и техническую прочность металла. При определении теоретической прочности предполагают, что исследуемый монокристалл имеет идеальную кристаллическую решетку, деформируется до момента разрушения упруго и разру­шается хрупко, без пластической деформации. Техническая, или наблюдаемая, прочность определяется непосредственно экспери­ментом на реальных образцах со всеми присущими им дефектами.

Деформации материалов и их разрушению противодействуют силы межатомных связей, от величины и характера которых в пер­вую очередь зависит прочность любого тела. Расчетом можно с из­вестной степенью точности определить величину силы связи между атомами, а также минимальную теоретическую прочность при раз­рушении путем отрыва.

Проведем примитивный расчет теоретической прочности. При­нимаем, что разрушение при отрыве происходит без пластической деформации и энергия расходуется только на образование двух новых поверхностей при отрыве, т. е. на увеличение поверхностной энергии. Таким путем мы получим явно заниженное значение, так как энергия будет расходоваться и на другие процессы; обозначим это значение как минимальное — о^1п.

Исходя из таких соображений, М. Поляни еще в 1921 г. разра­ботал метод определения теоретической прочности кристаллических тел. Он предположил, что для хрупкого разрушения нужно удалить один слой атомов от другого на величину межатомного расстояния

d (рис. 10). Если при этом напряжение в металле равно оп^„, кГ/см8, а поверхность разрушения 5, см2, то, очевидно, для такого удаления нужно затратить работу

^4разр == ^min Sd К Г ■ СМ. (1.3)

Приравнивая эту работу энергии образования двух поверхностей 2SF, где F кГ • см/см7- — F кГ/см — энергия, необходимая для обра­зования одного квадратного сантиметра поверхности, ус - g тановим соотношение между ашіп и F.

amln — КГ /СМ2. (1.4)

Рис. 10. Схема расчета теоретической Значения F для прибли - прочности кристаллов при отрыве. женных подсчетов по фор­

муле (1.4) иногда находят расчетом, исходя из величин межатомных сил связей. Можно опре­делить F и экспериментально, предположив, что величины поверх­ностной энергии твердых тел и жидкостей близки между собой[4].

Поскольку при разрушении кристалла не только отрываются друг от друга атомы, расположенные по поверхности разрушения, но и смещаются атомы близлежащих слоев, то максимальное зна-

чение теоретического разрушающего напряжения отрыва при, растя­жении сг„йх будет значительно больше полученного из выражения (1.4). Обычно его принимают равным половине модуля упругости:

Стах = 0,5£ кГ/СМ2. (1.5>-

Результаты подобных подсчетов и величины технической проч­ности ов для некоторых чистых отожженных металлов приведены в табл. 4.

Как видим, наблюдаемая техническая прочность иногда в сотни раз меньше теоретической. Чем же объяснить такое явление? Главными причинами того, что показатели технической прочности далеко не достигают соответствующих теоретических значений, являютс-я: наличие дефектов кристаллического строения металлов и сравнительная легкость развития пластической деформации.

Несовершенства кристаллического строения металлов несом­ненно снижают большую прочность поликристаллов, так как скоп­ления их создают очаги, где в первую очередь, уже при небольших приложенных усилиях начинается разрушение. К тому же для большинства металлов пластическое течение начинается при напря­жениях, которые в несколько раз ниже теоретических. Может по­казаться, что само определение теоретической прочности ошибочно и не представляет практического интереса. На самом деле это не так. В специальных условиях удается выращивать нитевидные мо­нокристаллы многих металлов, в том числе и железа, с правильным кристаллическим строением, близким к идеальному. Эти кристаллы, часто называемые в литературе «усами», имеют диаметр несколько микрометров и длину — несколько миллиметров. Нитевидные кри­сталлы, отличающиеся почти идеальной правильностью строения, показали при испытаниях на растяжение весьма высокую прочность. Для чистых металлов были получены следующие значения о, кГ/мм2: Fe —1337; Си—311; Ag—176; Zn—225. Эти значения сравнимы с теоретическими. Из сопоставления теоретической и технической прочности становятся очевидными неисчерпаемые возможности повы­шения прочности металлов и сплавов.

Таким образом, ознакомление с особенностями строения метал­лов показывает, что их свойства определяются следующими основ­ными факторами:

1) характером и величиной сил связей между атомами;

2) типом решетки, в которой кристаллизуется данный металл;

3) наличием несовершенств структуры, их количеством и типом;

4) формой и размером зерен;

5) составом и свойствами межкристаллитных прослоек.

Контрольные вопросы и задания

Каков механизм перехода веществ из одного агрегатного состояния в другое?

Какие существуют межатомные силы связей, какова их природа? v Почему атомы в кристаллической решетке занимают определенное поло­жение по отношению друг к другу?

« Чем объясняется тепловое расширение твердых тел?

V В чем особенности молекулярной, ионной, валентной и металлической связей? Как эти особенности влияют на физические свойства кристаллов?

Изобразите элементарную ячейку для плотноупакованной гексагональ­ной, кубической гране - и объемноцентрированной кристаллографической ре­шеток.

v Что такое полиморфизм? В чем причины его возникновения? и Опишите основные виды несовершенств в строении реальных металлов.

Чем объясняется поликристаллическое строение металлов? Каков меха­низм их кристаллизации?

Каковы особенности строения металла на границах между зернами? Чем объясняются эти особенности?

Чем объясняется повышенная травимость границ зерен?

Чем объясняются различия свойств монокристаллов и поликристалличе - ских блоков?

Как влияют размеры зерен на механические свойства железа?

Что такое теоретическая и техническая прочности металлов? Чем объяс­няется существенное различие в их величинах?

Чем определяются свойства металлов?