На помощь приходит дефект

Согласно циничному афоризму спасе­ние утопающих — дело рук самих утопающих. Тео­рия «забраковала» существовавшие представления о пластической деформации металлов, но она же ука­зала и выход из тупика. Эксперимент в этом «разго­воре формул» вел себя очень скромно и отстал на пару десятков лет.

Существует множество научно-популярных книг и статей, рассказывающих, как происходит сдвиг в ре­альных кристаллах. Придумано немало примеров и аналогий, поясняющих суть дела. Приведем одну из самых известных.

Чтобы перетащить ковер на новое место, можно схватиться за его край и тянуть. Хорошо, если вы че­ловек сильный, а ковер легкий. А если вы переоцени­ваете собственные возможности? Создав складку и «прогнав» ее через весь ковер, мы добьемся резуль­тата с куда меньшими усилиями. Повторяя операцию, можно «оттранспортировать» тяжелый ковер на лю­бое расстояние.

Скольжение одной атомной плоскости целиком по другой соответствует простому перетаскиванию ковра. Но ведь можно попытаться и в кристалле создать «складку»! Конечно, без повреждений идеальной кри­сталлической структуры и введения в нее дефектов при этом не обойтись. Но что делать: лес рубят—, щепки летят. Итак, впору давать объявление; «разы-, скивается дефект».

В 1934 году «на кончике пера» дефект удалось яайти сразу трем теоретикам — М. Поляни, Э. Орова- ну н Дж. Тейлору. Искали они его порознь, но в оди­наковым усердием. Назвали дефект дислокацией.

Попытаемся провести сдвиг в кристалле, разрывая ив все межатомные связи в плоскости сдвига сразу, а делая это постепенно (рис. 83).

—————,-VT…………………………………………………….

Рис. 84

Сначала «перетащим» крайнюю верхнюю полупло­скость на одно межатомное расстояние вправо. При этом крайняя нижняя полуплоскость станет «лиш­ней» — исчезнет ее «визави» в верхней части кри­сталла. Прн дальнейших «шагах» сдвига лишняя по­луплоскость будет смещаться, пока наконец не вый­дет на противоположную грань кристалла. Сдвиг при этом закончится образованием знакомой ступеньки на боковой поверхности.

Вблизи края лишней полуплоскости, как хорошо видно на модели из проволоки и шаров (рис. 84), пра* вильность кристаллической решетки нарушается. Это нарушение и называется дислокацией.

Рассмотренная схема сдвига из-за своей «посте­пенности» должна реализоваться при меньших значе­ниях напряжений. Расчет удалось выполнить извест­ным английским физикам Р. Пайерлсу и Ф. Набарро. Он слишком сложен, чтобы его здесь воспроизводить, но теоретическое значение критического напряжения сдвига действительно оказалось близким к экспери­ментальному. Не все ученые сразу доверились резуль­татам умозрительных расчетов. Но с конца 40-х годов стали появляться экспериментальные свидетельства существования дислокаций. Они подтвердили прогно­зы теоретиков. С этих пор дислокации «весомо, грубо, зримо» буквально вторглись в представления о метал­ле. Слово «зримо» здесь играет не последнюю роль[26]— дислокации действительно можно наблюдать в элек­тронный микроскоп. В част­ности, нарушение правиль­ности дифракционной карти­ны на рис. 85 связано с нали­чием лишней полуплоскости в верхней части кристалла.

Сегодня существование дислокаций — надежно уста­новленный факт. Под дей­ствием приложенных извне напряжений они начинают свой бег. Всякий раз, когда вы гнете в руке какую-ни­будь железяку, мириады не­видимых дислокаций выпол­няют свой долг. Без них пластическая деформаци» металлов оказалась бы весьма трудным делом.

Дислокации участвуют не только в процессах пла­стической деформации. С ними оказались связанны­ми немало других физических явлений в кристаллах. Можно даже сказать, что в физике твердого тела по­явилось новое направление — дислокационная физи­ка. Но это — тема совсем другой книги *). А нас по­ка интересует частный вопрос: почему в твердых рас­творах дислокации сдвинуть с места труднее, чем в чистых металлах? Ведь именно в этом причина насту­пления бронзового века!

У конца лишней полуплоскости (он называется ли­нией дислокации и обозначается значком _L) обра­зуются искажения кристалли­ческой решетки (рис. 86). Под линией дислокации формирует­ся область расширения, а над ней — сжатия. Атомы больших размеров и примеси внедрения стремятся туда, где решетка расширена. Легко понять, что это приводит к энергети­ческому выигрышу. Наобо­рот, примесные атомы, усту­пающие по размерам атомам матрицы, предпочи­тают область сжатия. В общем, любой компонент твердого раствора находит для себя подходящее ме­сто. В результате такого перераспределения вокруг линии дислокации образуется зона, обогащенная при­месями. По имени металлофизика, который предска­зал это явление, она называется атмосферой Кот – ррелла.

Для того чтобы дислокация начала двигаться, ее радо оторвать от окружающей ее атмосферы (рис. 87) .

Растворенные атомы при этом теряют свои «обжитые и удобные» места, что выражается в дополнительном энер­гетическом проигрыше. Поэтому для начала пластической деформации в твердом растворе и при­водится прикладывать большие (по сравнению с чи­стым растворителем) усилия.

Блокировка дислокаций по Коттреллу — далеко не единственная причина твердорастворного упрочнения. Выделяют еще 5—6 различных механизмов. Все они в конечном счете сводятся к разнообразным видам вза­имодействия растворенных атомов с дислокациями, которые затрудняют их движение.

Область сжатия

Обрэсть расширения Рис. 86

T Атмосфера -^yrXKcnTpqijia —–

<?> – ^ Oj-

Рис. 87

Ну вот и все. Мы закончили наш историко-метал – лофизический экскурс, Наверное, древние изобрета­тели бронз немало удивились бы, узнав, сколь слож­ны причины прочности их детища, А нам предстоит сделать еще один шаг на этом пути и поискать новые способы упрочнения металлов.

Как полезно выгонять назойливых гостей

Гостеприимство — дело почетное и прият­ное. Но если гостей слишком много и ведут они себя бесцеремонно, встреча с ними радости не приносит. Обилие назойливых визитеров может довести даже вежливого хозяина до состояния, когда часть гостей рискует оказаться на улице.

«Гостеприимство» металлов также имеет свои пре­делы, а порой случается и изгнание чрезмерного ко­личества «гостей». Но если для хозяина-человека та­кая процедура всегда огорчительна, то хозяин-металл от нее становится даже крепче. А теперь — обо всем по порядку.

Обратимся вначале к нашему классическому при­меру раствора — сладкому чаю. Насыпьте в стакан 10 ложек сахара и попробуйте их размешать. Вряд ли вам это удастся. Часть сахара в виде отдельной твер­дой фазы останется на дне. Это происходит из-за того, что при данных внешних условиях (давлении, темпе­ратуре) существует предел растворимости — макси­мальная концентрация раствора, которую можно до­стичь. Если содержание сахара превосходит предел

Растворимости, то даже энергичная и длительная ра­бота ложечкой не даст результата. Как правило, пре­дел растворимости уменьшается при понижении тем­пературы. Поэтому в холодном чае размешать сахар труднее, чем в горячем. Зависимость предела раство­римости от температуры носит название линии (или кривой)^ растворимости. Данные о растворимости са­хара в час легко нанести на фазовую диаграмму (рис. 88).

Рис. 89

Рис. 88

На фазовых диаграммах металлических систем ли­ния растворимости (в полной аналогии со сладким чаем) отделяет однофазную область твердого раство­ра от двухфазной области.(рис. 89),.

В двухфазной области мирно сосуществуют а-твер – дый раствор предельной концентрации и вторая фа­га х. Ею может быть чистый компонент В (как в слу­чае сахара и чая), раствор А в В или какая-нибудь промежуточная фаза [27]) со своей кристаллической структурой.

Уменьшение растворимости при охлаждении мож­но объяснить, воспользовавшись принципом Jle Ша- телье. Большое число реакций растворения сопровож­дается поглощением тепла. За примерами далеко ходить не надо: прекрасно известно, что растворение сахара охлаждает горячий напиток. Следовательно, обратная реакция — выпадение из раствора раство­ренного компонента — наоборот, идет с выделением тепла. Если раствор охлаждать, то согласно принципу Jle Шателье система должна препятствовать этому, выделяя тепло. Она это и делает, отторгая часть рас­творенного компонента во вторую фазу,

Выделение второй фазы из твердого раствора но­сит название его распада. Явление распада твердых растворов исключительно важно, и мы опишем его подробнее.

Предположим, что охлаждает­ся твердый раствор состава C0 (рис. 90). При пересечении ли­нии растворимости (температура Г0) из него начинает выделять­ся богатая компонентом В фа за х. Раствор соответственно дол­жен обедняться компонентом В, и его состав будет изменяться в со­ответствии с кривой растворимо­сти. Например, при температуре Ti концентрация В в растворе станет равной C1.

Диаграмма, однако, ничего не говорит о том, как происходит процесс выделения фазы. х. А для этого рассеянные по твердому раствору атомы В должны собраться в более или менее компактные группы

OL-раствор ./. ¦

Ограждение

• & :

«.-раствор

Фа^ах

Рис, 91

(рис. 91). Иначе богатой компонентом В фазе х воз­никнуть будет просто неоткуда.

Движение атомов в твердом растворе — один нз частных случаев диффузии[28]). Как именно мигрируют примеси замещения? Можно предложить несколько способов, но на сегодня установлено, что в большин­стве случаев реализуется вакансионный механизм, т. е. атомы перемещают­ся, «перескакивая» в со­седний с ними вакантный Рис, 92 узел (рис. 92).

С понижением температуры подвижность атомов резко падает. Это связано с двумя причинами. Во-пер­вых, намного меньше становится вакансий; напомним, что их концентрация при охлаждении падает по экс­поненте. Во-вторых, атому становится труднее пере­скочить в соседний узел, даже если он свободен. Ведь для этого ему надо слегка раздвинуть своих со­седей, а это чревато повышением энергии кристалла. Если запасов кинетической энергии (а ее мерой, на­помним, является температура) достаточно для такого «подвига», то атом на месте не останется. А если нет?.. Что ж, страсть к путешествиям удовлетворяется не всегда.

Последнее обстоятельство играет свою роль и в случае диффузии элементов внедрения, которые пере­мещаются непосредственно по междоузлиям и в ва­кансиях для этого не нуждаются.

Понижение «двигательной активности» атомов при охлаждении очень серьезно влияет на процессы рас­пада твердых растворов. Давайте мысленно мгновен­но охладим сплав концентрации Со под линию раство­римости до температуры Т\ (см. рис. 90). Концентра­ция твердого раствора долж­на измениться от C0 до Ci, Но случится это не сразу. Пройдет еще некоторое время т, пока растворенные j атомы не соберутся в груп-

1 пы и не выделится фаза х.

Рремр дт0 можно проиллюстриро – Рис. 93 вать графиком зависимости

Концентрации твердого рас­твора от времени, прошедшего после охлаждения (рис. 93).

Если температура выдержки сплава Т\ достаточно низка (например, комнатная), то диффузия становит* ся очень вялой и время установления в системе равно­весия т растягивается на годы, сотни лет и тысячеле* тия! Поэтому мгновенным охлаждением можно зафик­сировать состояние пересыщенного твердого раствора, когда содержание компонента В в нем больше преде­ла растворимости.

Конечно, мгновенно охладить металл нельзя. Но можно это сделать очень быстро, погрузив его в хо­лодную воду или какую-нибудь другую жидкость. Та­кая операция — закалка — известна с незапамятных времен,

Термин «закалка» многие связывают только со сталью. И действительно, «закаленная бронза» (в от­личие от «закаленной стали») звучит непривычно. Тем не менее такое словосочетание вполне правомоч­но, так как закалка означает просто резкое охлажде­ние раскаленного металла и ничего более. Другое дело, что происходит при закалке внутри металла! В стали раскручивается довольно сложная «интрига» фазовых превращений, о которой мы расскажем толь­ко в следующей главе. А вот в бронзах, наоборот, практически ничего не происходит. Во время закалки твердый раствор распасться не успевает, а потом — уже поздно; у атомов пропадает «охота к перемене мест». Так же ведет себя и большинство других твер­дых растворов. Однако изучение алюминиевых спла­вов показало, что и это правило не обходится без исключений.

Сегодня алюминий по выплавке уверенно удержи­вает среди металлов второе место вслед за железом. Ни у кого нет сомнений в важности и нужности этого легкого материала. Но долгое время отношение к нему было весьма сдержанным: «Что же можно ожи­дать от металла, который разрушается слабыми ще­лочами и кислотами, в то время как едва ли суще­ствует жидкость, не содержащая несколько кислоты или щелочи и поэтому легко разрушающая прекрас­ную наружность алюминия или уничтожающая всю его массу. Чай, вино, пнво, кофе и все плодовые соки уничтожают алюминий, и даже пот снимает с него палитру, обращая часть металла в обыкновенный гли­нозем…

Следовательно, алюминий сам по себе не представ­ляет больших надежд на употребление в дело. Но вполне может быть, что он доставит пользу в виДё сплавов».

Это — характеристика алюминия из книги «Под­виги человеческого ума», вышедшей в 1870 году. Судя по тону изложения, кажется странным, что алюминий вообще попал в книгу с подобным названием. Однако последняя фраза оказалась пророческой…

В начале века немецкий химик Альфред Вильм возглавил сектор металлургии в исследовательском институте, расположенном в пригородах Берлина. Он экспериментировал, пытаясь найти высокопрочный сплав алюминия, и в сентябре 1906 года испытывал

6 А. С. ШтеЯнберг очередной сплав, в который, помимо алюминия, входи­ло 4 % меди и по 0,5 % марганца и магния. Никаких особенных оснований рассчитывать на успех не было.

Прочность сплавов оценивали по измерениям твер­дости. Это стандартная лабораторная операция, при которой твердый (например, алмазный) индентор (шарик или пирамидку) вдавливают в металл. По глубине отпечатка в условных единицах определяется твердость. Чем «мельче» оказывается след инденто – ра, тем выше твердость.

В час дня в субботу твердость была измерена и составила 70 (условных единиц). После этого все со­трудники отправились проводить выходной в Берлин. Немцы — люди аккуратные, и, поскольку в предвку­шении отдыха измерения могли быть проведены недо­статочно тщательно, в понедельник Вильм распорядил­ся их повторить. Ко всеобщему удивлению, твердость составляла уже 100. Субботняя ошибка? Нет, так как в последующие дни твердость продолжала возрастать.

Ситуация выглядела довольно странной. Пред­ставьте, что перед вами лежит кусок металла, кото­рый внешне совершенно не меняется, но по проше­ствии дней становится все прочнее и прочнее. Как будто внутри металла работают невидимые строители и, не торопясь, цементируют слабые места в здании кристалла…

Эффект самопроизвольного упрочнения сплавов назвали старением. Ни сам Вильм, ни другие специа­листы не знали, чем он вызван. Но среди алюминие­вых сплавов стареющие выделялись по прочности, и это Вильм быстро использовал: рецепт сплава был запатентован. А в 1911 году немецкие промышленники уже выпустили первую партию сплава Вильма, кото­рый нарекли дюралюминием или дуралюмином по на – вванию города Дюрена, где развернулось его произ­водство. Во время первой мировой войны сплав уже активно использовался—из него изготовляли детали немецких цеппелинов. Так дуралюмин предвосхитил судьбу своих более поздних собратьев—других алю­миниевых сплавов. Сочетание прочности и легкости сделало их ведущим материалом самолетостроения.

Между тем и после первой мировой войны сплав Вильма продолжал будоражить воображение исследо­вателей. В 1918 году американский металлург Аль­берт Совер докладывал в комиссии американских

OL+CuM

Военно-воздушных сил, что данный сплав уникален и его аналогов не существует. Лишь в 1919 году другой американец Поль Мерика, работавший в Националь­ном бюро стандартов в Вашинг – гр тоне, приблизился к разгадке се­крета. Он экспериментально по­строил кривую растворимости ме­ди в алюминии [29]). Она имела хо­рошо знакомый нам вид (рис.94).

Ai

Q

Cu

Рис. 94

6*

163

При охлаждении до комнатной температуры сплав должен пере­ходить в двухфазное состояние. Но в большинстве сплавов в этих условиях диффузия заторможена и твердый раствор практически не распадается. А в алюминиевых распа­дается, но по тем же причинам очень медленно. Сплав стареет. Постепенно в течение часов и дней формиру­ются выделения второй фазы. Каждое выделение твер­дой фазы со своей кристаллической решеткой (соеди­нения CuAl2) служит препятствием для движения ди­слокаций. Дислокации могут его преодолеть, и в за­ключительной главе мы покажем, как именно они это могут сделать. Но уже сейчас ясно, что преодоление подобных барьеров потребует дополнительных усилий. Поэтому выделение избытков растворенного компо­нента в виде второй фазы — избавление от «назойли­вых гостей» — затрудняет пластическую деформацию и упрочняет сплав.

Конечно, в 1919 году, когда была построена диа­грамма состояния системы медь — алюминий, о суще­ствовании дислокаций в металле еще и не подозрева­ли. Однако было понятно, что появление твердых ча­стиц промежуточной фазы CuAl2 в теле твердого раствора сделает его намного прочнее.

Когда был раскрыт принцип старения, то нашли н много стареющих сплавов. Правда, как правило, поль­зуются не естественным старением при комнатной температуре, а искусственным, когда сплав выдержи­вают в печи при температуре 200—400 0C (но обяза­тельно под линией растворимости!). Так процесс все – таки происходит быстрее.