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.