Text
                    @
БИБЛИОТЕЧКА . КВАНТ.
ВЫПУСК 32
В.А. ЗАЙМОВСКИЙ
Т.Л. КОЛУПАЕВА
НЕОБЫЧНЫЕ
СВОЙСТВА
ОБЫЧНЫХ
МЕТАЛЛОВ

МОСКВА t:HAYKA.
r ЛАВНАЯ РЕДАКЦИЯ
ФИЗИКОМА ТЕМА ТИЧЕСI\Ой
ЛИТЕРАТУРЫ
198 4


22.37 3-17 "УДК 539.2 р Е Д А К Ц И О Н Н 1\ Я К О Л Л Е r и Я АJ<адемик и. К. КИКОИН (лредседатель), акадеМИJ{ А. Н. Кол- MoropoB (заместитель председателя), профессор л. r. АслаМЗЗ0В . (ученыЙ секретарь), ч..'lен-корреспондент АН СССР А. А. Абрико- сов, академик Б. К. Вайнштейн, заслуженныЙ учитель РСФСР Б. В. Воздвиженский, академик п. Л. Капица, профессор с. п. Ка- пица, академик с. п. Новиков, академик ю. А. ОСИПЬЯН, академик ЛПН СССР В. r. Разумовский, академик Р. 3. Саrдеев, профессор я. А. Смородинский, академик С. л. Соболев, ЧJ1енкорреСПОtl. дент АН СССР д. К. Фаддеев, член-корреспондент АН СССР и. с. ШКJlОВСКИЙ. 3аймовский В. А., Колупаева Т. л. 3.17 Необычные свойства обычных металлов /Под ред. л. r. Асламазова......... М.: Наука. r лавная редакция физико-математиqеской литературы 1984.......... 192 с.......... (Библиотечка «Квант». Вып. 32) . ......... 30 К. в книrе рассказано о самых обычных механических свойствах Ji самых необыкновенных «сверхсвойствах:. металлов и сплавов:: сверхупруrости, сверхпластичности, сверхцрочности. Читатель узнае () том, почему из одноrо металла можно сделать хорошую пружину. ;] друrой вообще ведет себя как резина; почему один сплав издает lе.Т1Иколепный колокольный звон, и друrой... нем как рыба; почемУ/ ()дин и тот же сплав может быть прочным и упруrим, а может и -rечь подобно жидкому стеI<ЛУ. В книrе также уделено значительное место открытому недавно свойству металлов запоминать форму к nрименению запоминающих сплавов в космосе и n земных ус..'Iовиях.. Для школьников. преподавателей, студентов. 1704060000068 3 053 (02) -84 190-84 ББК 22.37 531.9 @ Издательство «Наука,... rлавная редакция физико мзтем ати'ескоА литературы, 1984 
оrЛАВЛЕНИЕ  ПРЕДИСЛОВИЕ 5 ВВЕДЕНИЕ 7 fпaBa 1. НАПРЯЖЕНИЕ И ДЕФОРМАЦИЯ 1 t  1. Напряжение. [де тонко, там и рвется 11  2. Деформация. Кому удобнее н.а ПРОКРУСТО80М ложе 14 rлзва 2. упруrость, НЕупруrость и СВЕРХУПРУ. rOCTb 17  1. Закон rYKa, а модуль  Юнrа 20  2. Дизrрамма деформации 23  3. Почему мы rоворим: «ластик» 24  4. Почему стальная проволока пружинит, а медная нет? 29  / 5. Ле Шате.ilье против rукз 33  6. Работа упруrой деформации 37  7. Почему звонит КОJIОКОЛ. или внутреннее трение в металлах 38  8. l(aK измерять скорость диффузии атомов, коrда они не диффундируют? 45  9. Что просто больше, а что  сверх? 52  10. Несматывзющзяся проволока 53  11. Неслзбеющие пружины и немые сплавы 56 rлавз з. ПЛАСТИЧНОСТЬ И СВЕРХПЛАСТИЧНОСТЬ 59  1. Пластичность. I(зк удлинить колоду карт? 59  2. Как происходит сдвиr, или суровый боцман и хитро- умный - юнrа 65  3. Дислокации 69  4. Сколько требуется дислокаций 73  5. Откуда они берутся? 77  6. ДИС.1\окации  желанные и rонимые 78  7. Дислокации  ловушки и дислокации....... провод.. ники 84  8. Сверхлластичность 87 1* 3 
fлава 4. МЕХАНИЧЕСКАЯ ПЛ-МЯТЬ МЕТАЛJlОtl 101  1. Металл запоминает форму 1 О 1  2. Удивительный бараний por 103  3. Самоуправство или хитрость? 106  4. Спдав способен на С8моубийство?! 107 Э 5. Пророки древние и современные 1] 1 Э 6. Космические и земные профессии запоминающих сплавов 113  7. Как закаливается сталь? 122  8. О..човянная чума и открытие [. В. Курдюмова и л. r. Хандроса 127  9. Двойная память iи «вечныi{» двиrатель 132 fлава 5. РАЗРУШЕНИЕ, ПРОЧНОСТЬ И СВЕРХПРОЧ.. насть 138  1. Трещина...... жилище змея 140  2. Теоретическая прочность ] 41  з. . Концентрация напряжений 142  4. Трещина rриффитса 144  5. Сверхпрочность 154  6. Усталость и живучесть металлов 159 rлава 6. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ СТЕКЛА 165 [лава 7. I(ОМПО3ИЦУIОНliЫЕ МАТЕРИАЛЫ  Л1АТЕ- РИАЛЫ Б У ДУЩЕrо ] 77  1. Очередное самоубийство ] 78  2. YnpyrocTb и прочность измеряются в километрах! 180  э. Предпосылки для КОМI10зитора 181 зАКЛЮЧЕНИЕ 189 
ПРЕДИСЛОВИЕ Этой книrой мы обращаемся к МОЛОДЫl\{. --читателяt, интересующмся физикой и техникой.' С дав- них пор физическая наука двиrает вперед развитие тех- ники, которая, в свою очередь, ставит новые задачи - перед физикой, oTKpf:UBaeT в ней новые разделы. Один из сравнительно молодых разделов физики, который бурно проrрессирует в последние десятилетия'....... это физика lvlеталлов. i .  1 , Рис. J. По нашим наблюдениям 1ноrие школьники не всеrда правильно представляют себе содержание науки о метал... лах, которая на самом деле охватывает очень широкий Kpyr вопросов. Часто считают, что, например, в Москов... СКОМ институте стали и сплавов, к которому авторы имеют самое ПрЯfое отношение, учат лишь плавить чуrун и 5 
сталь, ковать и прокатывать металл. Но эдесь rотовят и металлофизиков BыcoKoro класса, поскольку металлур- rпя, 'как и друrие области техники, базируется на исполь- зовании ряда интереснейших физических явлений и про.. цессов. Необходимо ПРОИЗБОДИТЬ металл, но не менее важно проникать в тайны ero BHYTpeHHero строения, учиться управлять ero свойствами. Сами же эти свойства MorYT изменяться в таких широких пределах, чтu бывает про- сто невозможно обойтись без приставки «сверх». Иссле- дование сверхупруrости, верхпластичности, сверхпроч.. ности, способности металлов запоминать форму и друrих явлений, о которых рассказано в КНиrе,.......... как раз и входит в задачу металлофизиков. Наша цель будет достиrнута, если те, кто считал u v МЗ.,ТIоинтереснои или даже скучнои науку о металлах, хоть отчасти изменят СБое мнение. Авторы искренне блаrодарят профессора кафедры теоретической физики MOCKOBcKoro института стали и сплавов л. r. Асламаэова, который СТИlулировал созда- ни этой книrи и принял активное тнорческое участие Б работе над ней. В. А. 3аuмовскuй т. л. Колупаева 
BBEJtEHIIE  в этой книrе речь пойдет о механических свойствах металлов  о их способности сопротивляться наrрузкам в самых разнообразных условиях." Если внимательно посмотреть на окружающие нас flредметы, то леrко увидеть, что все они несут HarpY3KY: стол, на который мы 06локотились, стул, на котором си.. ДИМ, rвоздь, на котором подвешена к стене картина. сама эта стена, пол комнаты, участок земли, rде стоит дом. Это все  примеры наrрузок статических, т. е. u деиствуюrцих постоянно или прикладываемых медленно. Совсем друrое дело, например, работа двиrателя авто.. . мобиля. [азы, с оrрОМlIОЙ скоростью сrорающие в ци.. ..lиндре, толкают поршень, а тот в СБОЮ очередь передает u  эти толчки через шатун на коленчатыи вал с частотои более 7 тысяч раз в минуту. За 50 тысяч километров про... беrа коленвал совершает 100 миллионов оборотов, испы.. тывая во время каждоrо оборота изrибаюrцую наrрузку ТО одноrо, то друrоrо знака. Мноrие знают, как печально звучат слова: «у меня полетел коленвал», и уж каждый леrко представит себе что последствия разрушения стен и полов в ero доме MorYT быть по-настоящему траrичными. А разрушение и . rибель самолетов, кораблей? Однако хватит у}касов. Какой красивый, мелодичный звон издают колокола! Представим себе, что из TaKoro же сплава изrотовлень[ . станины токарных станков, а erцe лучше (или хуже?) кузнечных молотов. Что за музыка будет в цехе, и кто возьмется иrрать в таком оркестре и дирижировать им? Почему стальная проволока пружинит, а медная  нет? Что происходит внутри металла, коrда ero дефор?\1И- руют? Почему один сплав «звучит», а друrой  нем как рыба? Как разрушаетсsf металл, как ero леrче разру.. шить и как предохранить от разрушения? - Ответы на эти и мноrие друrие вопросы являются предметом науки 7 
. о механических своиствах металлов, и именно о Н,ИХ пойлет наш рассказ. U'олее 99 % ПрОJi3БQдимоrо человеком мета,,1ла (а ero БЫllускается сейчас более 600 миллионов тонн или около, 150 Kr на одноrо жителя ЗеfЛИ в [ОД) используется в тех- нике в силу Toro, что металлы обладают нужным сочетз:- llием механических свойств, хорошо сопротивляются наrрузкам. Менее 1 % метаЛс.1I3 потребляют электротех- ника, эдектроника и друrие отрасли техники, rде нужны :tvlзтериалы С особыми физическими свойствами (электри- ческими, маrнитными и др.). Да и там вопрос о 1Jехзни" ческих свойствах не снимается с повестки ДНЯ, так как все детал}] наrружены по крайней мере собственным ве.. СОМ. Только 'в невесомости .может быть ненаrруженная детаЛЬ t но путь к невесомости лежит через переrРУЗКl1. Рис. 2. Если читатель разберется в ТОМ, что такое обычная упруrость, пластичность и прочность l'I.еталлов, то он, вероятно, будет удивлен (а может быть и поражен), узнав, что обычный уровень этих свойств может быть превзойден в десятки раз. А поняв причины проявления сверхупру- 8 
тости,- сверхпластичности, сверхпрочности и еще более интересноrо эффекта  механической «памяти» метал- лов, ......... он, ВОЗ10ЖНО, испытает удовлетворение (а м'ожет быть и удовольствие). . I Рис. з. - Рис. 4. Действительно, ведь можно удлинить металлический стержень без разрушения в 50 раз, можно навить по Бсем правилам пружину, а она тут же превратится снова в прямую проволоку, можно заставить м:еталл' ежиrаться при наrревании, хотя хорошо известно, что тела при на- rревзнии обычно расширяся. 9 
l\\ожно изменить даже естественный ПОРЯДОК во вззим" ном расположении атомов металла, заставить ero отка.. ваться от своей обычной кристаллической СТРУКТУРЫ и получить аморфный металл или металлическое стекло с таким атомным строением, какое имеет застывшая жидкость. Из двух материалов с сильно различающимися свойствами можно «собрать» третий новый материал, который как бы СУМl\lирует преимущества каждоrо, а их недостатки ........ cr лаживает. Читатель узнает, как эти необычные явления и СБОЙ- ства используются в земной и космической технике, в ме- дицине, и, ВОЗМО/f{НО, интерес, к затронутым в КНИI'е проблемам определит ero будущую профессию. 
r ЛАВА 1" НАПРЯЖЕНИЕ И ДЕФОРМ1ЦИЯ  1. Напряжение. rде тонко, там и рвется Это утверждение ни у Koro не вызывает сомнений. Каждый знает, что тонкую проволочку можно разорвать руками,' а толстый канат из этих же проволо- чек выдержит оrромную тяжесть. Так что интуитивно :мы хорошо представляем себе, что такое механическое напряжение. И сам этот термин часто используе!\f в раз.. rоворной речи: «он без напряжения поднимает двух.. пудовую rирю», «он покраснел от напряжения». Рис. 5. Теперь определим это понятие более точно. Напря.. жением а называют величину приложенной силы (на-- l"РУЗКУ) Р, отнесенную к площади поперечноrо сечения наrруженноrо тела s: F o==s. Таким образом, напряжение имеет размерность ( СИ.па ) t В системе СИ  это паскали (1 Па == 1 Н/м 2 ); площаДЬ 11 
для нас удобнее будет пользоваться меrапаскалями (1 l\\Па == 106 Па). Сама по себе величина наrрузки еще ничеrо не rOBO" рит О результате ее действия. Надо знать, какое наПрЯ 48 жение в материале вызовет эта наrрузка. Один и тот же рюкзак кажется леrким силачу, у KOToporo большая F s f cos а F ':. I:. ,? ." : '1( '1'\' , t, /:\t \. , '': _: 1.': ,:-: .'" N, ,... ' !Ii   1 ........ . ....... . . . .... N   I, Рис. 6. площадь сечения костей и МЫШЦ, и вызывает rораздо большее напряжение в теле обычноrо человека. В техни.. ке чаще Bcero заранее известна наrрузка, которую будет нести деталь из данноrо материала, и напряжение, KOTO рое для Hero может быть опасным. Задача конструктора ......... так выбрать раЗl\Iеры и форму детали, чтобы уровень напряжения не превысил допустимоrо. .12 
Это все -просто и ясно, но есть одна подробность, ОЧЕ=НЬ важная для анаJIиза поведения тел при наrруже.. нии. Ведь любое тело имеет множество сечений, у КЗ;i\- доrо из них  своя площадь и, значит, в каждом  СЕое напряжение. Действительно, если мы будем, например, u растяrивать цилиндрическии стержень двумя одинако.. ВЫМИ силами Р, направленными вдоль ero оси (рис. 6), то в каждом поперечном сечении площадью 8 возникне'l' растяrивающее напряжение (J , F /8. Если же мы БЫ" береf сечение, перпендикуляр к которому составляет уrол а с осью цилиндра, то оно, во-первых, будет иметь у}ке не круrлую форму, а форму эллипса площадью S /cos а, 8, во-вторых, сила F будет направлена не перпен- дикулярно этому сечению, а наклонно. По.луясь правилом парЗJlлелоrрамма, леrко найдем, что в таких сечениях возникают Ава напряжения: первое Рсosа F 2 (1 ::с: S/cos (J., == s cos а, которое называют нормальным, стрмится оторвать эту u u u площадку от соседнеи, ев параллельнои, и второе........ e;ro называют касательным ИЛИ сдвиrовым и обозначают F sjn а р.. 't == S/ ==  S Sln а COS а, cosa. которое стремится сдвинуть эти площадки друr ОТНО" сительно друrа. Отсюда вытекает, что в сечениях, перпендикулярнъ,х оси действия наrрузки, действуют только нормалыtрlе напряжения {J ;:.: Р /Р (cos а == 1),. а асательные напря.. жения достиrают максимума на площадках, наклоненных под уrлом 45 о к оси (так как при а == 450 произведен'е sin а cos а максимально и равно 1/2). Таким образом, п'ри растяжении максимальные касательные напряжения вдвое меньше максимальных нормальных. Итак, под наrрузкой заданной величины F стержень с большей площадью поперечноrо сечения S испытывает меньшие напряжения, чем более тонкий стержень. Если стержень имеет переменное сечение, то в самом тонком месте он и разорвется, так как именно эдесь будут дей- ствовать наибольшие напряжения. 13 
 2. Деформация. Кому удобнее на прокрустовом ложе Соrласно l\tифолоrи:ческой леrенде в Аттике жил разбойник Дамаст, по прозвищу Прокруст (вытяrи- ватель). У Прокруста было ложе, на которое он заставлял ложиться тех, кто попадал к нему в плен. Если ложе было слишком длинно, Прокруст вытяrивал несчастноrо ДО тех пор, пока ero ноrи не касались края ложа. Если же ложе было коротко, то Прокруст обрубал пленнику ноrи. Ужасная леrенда, НО вдумайтесь: всем ли так уж страшно ПРОКРУСТОБО ложе? ЕсЛи человек вдвое короче кровати, то ему, конечно, будет не сладко. Если же ero рост лишь пемноrо меньше ДЛИНЫ ложа, то он впо.пне может выдержать небольшое дополнительное' удлинение. Рис. 7. этот пример ясно показывает, ЧТО величину деформации надо оценивать относительной мерой. Забудем на время о Прокрусте и определим точную меру деформации. Деформацию характеризуют относительным измене- нием длины тела 8 == l/lo, rде 10...... исходная длина, 14 
а l.......... абсолютное изменение ДЛИНЫ, разность между конечной длиной и исходной. Величина 8 без- раз:мерная и ее удобно выражать в процентах. При оди- , u наковом относительном удлинении тела разнои длины испытывают равные деформации 8, а указать лишь при- ращение длины l для характеристики деформирован- Horo состояния так же недостаточно, как указать лишь у 't в .. с с С' А .... D r 88' У = t g а = ............... АВ х . . . . . . " . ,. \.. . .. .' .. ,. ., . .. . ..,. .:...." .,-. .... . Рис. В. величину наrрузки для характеристики напряженности детали. Даже далекому от техники человеку ясно, что растянуть rвоздь исходной длины 6 мм до 3 м невоз- Можно........ он порвется (только в следующей rлаве мы узнаем, что иноrда невозможное возможно!). А вот, на- nрИl\lер, стальные канаты подвесноrо моста через залив 15 
Форт в Шотландии растянуты именно н-а 3 М. При ИХ ИСХОДНОЙ длине около 3 км относительное удлинение составляет Bcero 0,1- %, что ВПО.rIне допустимо даже для tтOЛЬ ответственной конструкции. И, наконец, eL'ТЬ важная подробность и В характери- стике деформированноrо состояния. Чтобы полностью описать деформированное состояние, Kpo!e относите.,'1ьных удлинений, надо узнать и относительные сдвиrи, которые MorYT быть вызваны касательными напряжениями. На.. пример, если мы деформируем кубик так, I<aK показано на рис. 8 (здесь показано изменение форм:ы ero передней rрани), то первоначально прямой уrол BAD становится острым, величина относительноrо сдвиrа у при этом оценивается TaHreHCOM уrла БАБ' (при небольших де- формациях......... величиной caMoro уrла. Значит, если при определении относительноrо удлинения мы относили измеН'ение размера вдоль какой-либо оси к исход- ному размеру вдоль той же оси, то относительный сдвиr у == tg (Х находят как изменение размера ВДОЛЬ оси Х, деленное на размер вдоль перпендикулярной ей оси У. Рис. 8 показывает, кроме Toro, что сдвиrовая деформация вызывает не только изменения уrлов, но также удлинение (вдоль АС') и укорочение или сжатие (вдоль B'D). 
r ЛАВА 2  . 'упрvrость, НЕупруrость и СВЕрхупруrость Тем, кто еще не читал записных книжек и. Ильфа, можно только позавидовать  у них впереди orpOMHoe удовольствие. Там, среди прочих, есть TaKa запись: ........ Книrа по' высшей математике начиналась сло- вами «Мы знаем...». Хотя наш предмет проще вышей . математики, все же и нам придется предполаrать, ЧТ9. кое-что мы уже знаем. Итак, «мы знаем», что при обычных условиях затвер Девания жидкоrо металла efO атомы располаrаются в пр,о- странстве в cтporo определенном rеометрическом поряд- ке, образуя кристаллическую решетку. При комнатной температуре и атмосферном давлении любой металл, за исключением ртути, представляет собой твердое кристал,, пическое тело. Д-а и ртуть кристаллизуется уже при ........39 ос, так что при сильных морозах ртутные термомет- ры неприrодны. Не случайно сказано: «при обычных условиях затвер- девания». Дело в том, что при охлаждении с оrромными скоростями  порядка миллиона rрадусов в секунду ......... можно подавить процесс кристаллизации и сохранить при комнатной температуре взаимное расположение ато- мов, характерное для жидкоrо металла. В этом случае получится аморфный металл или металлическое стекло, т. е. твердое (иноrда даже очень твердое), но не кристал- лическое теJ10. О металлических стеклах мы поrоворим позднее,. а пока продолжим наш рассказ. l\\еталл закристаллизовался, расставив свои частицы в определенном порядке. Раньше для простоты мы на- зывали эти частицы атомами. Теперь уточним: частицы, располаrающиеся в узлах кристаллической решетки  это ионизированные атомы, положительно заряженные ионы. Характер химической связи в l\1еталлических кристаллах таков, что атомы отдают часть внешних ва- лентных электронов как бы в общее пользование. Полу- чается, что остов И3 ионов плавает в облаке «электрон- 17 
Horo rаза», омывается обобществленными электронами, не принадлежащими ни одному ИЗ них в отдельности. Формирование, ионноrо скелета металла, кристалли- ческой решетки, ero способность сохранять (в отличие от rаза и жидкости) полученную при затвердевании форму и даже противостоять довольно мощным внешним силовым воздействиям  все это обеспечивается силами межатомноrо взаимодействи я. + f Q аствжение 1 а о Межатомное paccтOJfНив Сила взаUNО oeиCfМUH о ... f (сжатие). Рис. 9. При рода сил межатомноrо взаимодействия и законы, их определяющие, исследуются методами квантовой ме- ханики и smляются достаточно сложными. На рис. 9 v u качественно показана зависимость равнодеиствующеи v всех сил, деиствующих на два соседних иона, от расстоя- ния между ними. Для нас сейчас важны следующие два обстоятельства. Во-первых, сила взаимодействия f равна нулю в точке, определяющей равновесное расстояние между ионами а о .- Но-вторых, вблизи точки равновесия занисимость силы IJзаимодействия ОТ расстояния между ионами близка 1'8 
к линейной. Это позволяет предложить ДОВОЛЬНО rруБУIО, но зато наrлядную модель строения кристалла (рис. 10). Ero можно представить в виде пружинок, к концам кото- рых прикреплены ионизированные атомы, занимающие узлы решетки. Пружинки можно считать ненаrружен-  нымя (' == О), но если появится внешняя сила, требующан увеличения размера тела, например, в направлении Х, они сразу же начнут работать, стремясь сохранить це. постность ансамбля атомов (ионов). Всякая попытка деформировать или разрушить металл наталкивается на противодействие этих «пружии». " 'е Рис. 10. Если Ы попытаемся удалить атомы друr от друrа (увеличить Х), возникнет сила взаимноrо притяжения (+п, которая будет стремиться вернуть атомы в ИСХОД'" ные позиции, находящиеся на расстоянии йо друr от друrз. Попытка сблизить атомы (уменьшить Х) ведет к появлению силы обратноrо знака (".f), стремящейся снова восстановить начальное еостояние. Этими особен- ностями межатомноrо взаимодействия и обусловлены. во-первых, само свойство упруrости металлов., , ВO-BTO рых,  закон упруrой деформации. известный l<aK закон [ука. 19 
 1. Закон ryкa, а модуль --- Юнrа Анrлийский физик, архитектор и инженер Роберт rYK, член Лондонскоrо Королевскоrо общества, u интересовался своиствами упруrости металлов 8 СВЯЗИ С проблемой создания пружинных часов, которые бbIJJИ очень нужны современным ему корабелам. Используе- мые в те времена маятниковые часы работали ненадежно, проблема стояла остро. Ею занимался, в том числе, и знаменитый rолландец rюйrенс, изобретатель маятии" u ковых часов, создатель волновои теории света и автор мноrих друrих блестящих работ в области физики, ма- тематики и астрономии. Между rYKOM и rюйrенсом шелспор о праве считаться создателем пружинных часоВ. Рис. 11. Результаты своих измерений rYK опубликовал в 1676r. в виде aHarpaMMbI из латинских букв: ceiiinosssttuu. В aHarpaMMe буквы расставлены по алфавиту, но ecJIИ расположить их в правильном порядке, известном только автору, то должна получиться фраза, выражающая суть дела. Так зашифровывали в те времена свои открытия, если не было полной уверенности в их достоверности. Этим как бы делалась заявка на приоритет на случай, если кто-нибудь вдруr опередит автора. rYK три rода спустя, убедившись в своей праБоте, опубликовал рас- шифровку aHarpaMMbI. Краткая формулировка ero закона на латыни записывается так: «Ut tensio sic uis», ч1'О в переводе означает: «Каково удлинение, такова и сила». .20 
Мжду прочим; с этими анаrраммами и борьбой за приоритет в те времена происходили подчас комичные истории. Так, rюйrенс, впервые увидев в телескоп кольцо Сатурна, тоже опубликовал свое открытие в виде ава.. rpaMMbl. Один И3 околонаучных ловкачей, занимавшихея вместо кропот.пивых изысканий расшифровкой опубли... кованных aHarpaMM, сумел «прочесть» запись rюйrен'са, решив, что- она относится к спутникам Марса. Получи.. .лось: «Привет вам, близнецы, Марса порожденье». Какой же был конфуз, коrда rюйrенс, проверив свои наблюде- ния, саМ расшифровал свою аиаrрамму: из тех же букв (тоже на латыи)) составилась фраза: «кольцом окружен тонким,' плоским, ниrде не прикасающимся, к эклиптике наклонеIfНЫМ».' . Но вернемся к закону rYKa. Каково удлинение, та- кова и сила. На современном, более cTporoM, но и более скучном языке это означает, что удлинение тела прямо пропорционально действующей на Hero растяrивающеЙ силе. Несомненно rYK знал, что ero утверждение отно- сится к случаю, коrда поперечное сечение растяrивае- Moro тела' и' ero исходная длина остаются постоянными. Более длинные стержни давали, конечно, большее удли- нение. Он знал также, что при постоянной величине силы вызываемОе ею удлинение стержня обратно про.. порционально площади ero поперечноrо сечения, и, кроме u Toro, что у стержнеи одинаковоrо сечения и длины из разных материалов при одном и том же усилии будет разное удлинение. Однако rYK не сумел скомбинировать результаты своих экспериментов в такой форме, чтобы охарактеризовать упруrость как свойство caMoro материа. ла, не зависящее от размеров и формы \конструкции. Оставался Bcero один шаr до привычной нам формули.. ровки закона упруrости, и этот шаr был сделан анrлиЙ:' ским ученым Томасом Юнrом лишь более 100 лет спустя  в самом конце XVIII века. Юнr понял., что если удлинение l прямо пропорцио.. нально силе Fи исходной длине lo и обратно пропорцио.. нально площади сечения S растяrиваемоrо стержня, ТО это можно выразить простой формулой 1 l == const F [о s или F ! S == const 1; · '21 
Теперь ясно, что слева от знака равенства записано наПРЯLl<ение (1, а справа  относительное удлинение Е. l'ITaK, (J == Е8, причем, коэффициент пропорциональности в этой фор- муле.......... константа Е  получил название МОДУЛЬ Юнrа. Численно модуль Юнrа, очевидно, равен напряжению, которое вызывает, упруrую дефорлацию, равную 1 или 100 %. Но, если вспомнить, что относительная дефор- :маци-я 8 == Al11o, то окажетсs:, что 8 == 100 % соответ- ствует удвоению исходной длины. Такие большие упруrие деформации выдерживает , . резина, но ни один металл их выдержать не может. При rораздо меньших деформациях металлов они начи- нают либо деформироваться пластически, т. е. не BO- вращаются' в исходное состояние, либо разрушаются. ft\bl увидим далее, что чисто упруrая деформация металлов не превышает обычно нескольких десятых долей процен- та, поэтому Е.......... это напряжение, котррое вызвало бы удвоение длины стержня, если бы можно было получить такую оrромную упруrую деформацию. . Закон rYKa справедлив и дл случая упруrой сдвиrо- воЙ деформации у, которую вызывает касательное напря- )кние 't (рис. 8): 1: == Gy. ;3десь фиrурирует уже друrая константа а, которую называют модулем сдвиrа, а величина у обычно мала. Модули упруrости Е и а связаны между собоЙ / 3 ) (а  8 Е 11 являются такими же фундаментальным:и кон- стантами материала, как, например, температура плав- lения. Модуль упруrости характеризует силы межатом- Horo взаимодействия. Чем больше уrол наклона к rори- зонтальной оси кривой, изображенной на' рис. 9t вблизи 'j'QЧКИ равновеСIlЯ, тем мощнее наши пружинки, тем сильнее они сопротивляются смещениям атомов от исход.. l1ЫХ позиций. Чтобы получить представление о том, какое напря.. кение потребовалось бы для упруrоrо удвоения длины разных материалов, а заодно сопоставить их упруrие свойства, заrлянем в табл. 1, rде сведены значения моду,ПЯ 10иrа некоторых мета.ПЛОВ и немета.ТlЛОВ. (;С) .... 
Таблиuа I Материал Е, МЛа.lО Материал Е, МПа.l(r"4 Алюминий 7 Кость 3 Медь 10 Древесина 1 Сталь 20 Резина 0,0007 {JeKJIO 7 Из таблицы ВИДНО, что если бы, например, стальная проволочка поперечным сечением 1 мм 2 Mor ла выдер- жать, не разрушаясь, упруrую деформацию е == 100 %, то на ней можно было бы подвесить оrромный 20-тонныЙ самосвал. К сожалению, эта картинка далека от реаль- ности. Теоретическая оценка прочности на разрыв, как MbI увидим в rл. 5, дает значение разрушающеrося напря.. жения в 5........10 раз меньшее модуля Юнrа, а фактическая прочность используемых в технике металлов еще меньше - в соти.и, а иноrда в тысячи раз. Хотя это обстоятельство сильно оrорчает нас, спра.. ведливости ради надо признать, что ни rYK, ни ero закон, ни даже Юнr в.этом не виноваты. Более Toro, блаrодаря их исследованиям мы теперь не задумываясь рисуем l1ep- - u u выи участок диаrраммы, описывающеи механические свойства металлов  так называемой диаrраммы дефор- мации.  2. Диаrрамма деформации Как-то само собой получилось, что свире- пый Прокруст стал чуть ли не rлавным repoeM первоЙ части нашей книrи. Конечно, это отрицательный rерой, 11 мотивы ero действий мы не можеI\1 одобрить. Однако сам ero метод заслуживает внимания. По сути дела в не- сколько модернизироваННОl\tl виде он используется в со.. peMeHHЫX испытаfельных машинах, предназначенных Д.JIЯ растяжения металлических образuов. На сеrодня u - u это самыи распространенныи метод измерения механи- ческих свойств во всех соответствующих лабораториях lира. Суть ero в следующем. Из испытуемоrо металла нзrотавливают образеu с rоловками для ero крепления в зажимах машины и растяrивают обычно с постоянноЙ скоростью, реrистрнруя значения сиды F и аБСОЛЮТllоrо удлинения tJ.l (рис. 12). 23 
На рисунке процедура испытания изображена, конеч- но, схематически. На самом деле испытательная машина представляет собой довольно сложное устройство, снаб. женное современной электронной 'аппаратурой. Лучшие из них дороже caMoro комфортабель Horo автомобиля. . Машина дает достоверные объек" '('явные данные о всех стадиях про- llecca испытания.Ее самописцы рИСУIОТ диаrрамму в координатах «р........ l», которую леrко преобразовать в диаr рамму «О".......... 8». Для этоrо надо каждое значение силы F разделить На плоrцадь поперечноrо сечения 1 Ft ()"" F Рис. 12. образиа S, а КЗ:Jкдое значение абсолютноrо удлинения dl  на длину образца. Диаrрамму« (J  В» называют диаrраммоЙ деформации. Пример такой диаrраммы ДЛЯ пластичноrо материала показан на рис. 13. Сейчас sаЙмемся ее первым, линейным участком.  3. Почему мы rоворим: «ластик» Кая<дому со школьной скамьи известно это слово. Ластик......... наш первый ПОМОЩНИК в правле- нии наших первых ошибок. Tel более странно, что само  8ТО слово содержит ошибку t точнее  в нем со временем исчезла одна буква. Эластик (elastik) означает «упруrий». Эrо слово происходит от rреческоrо elastos........ rибкий" тяrучий. Еще в начае ХХ века rимназисты rОБОрИЛИ: «rуммиэластик» ........ упруrая резнка. Но время превра... 24 
'Рило это слово сначала в «rуммиластик», а потом остави- ло от Hero только вторую половину. Все же мы хорошо знаем, что такое эластичный мате- риал........ это значит rибкий, немнущийся, а в точном зна- чении слова  упруrий. Металлы тоже в определенных о. /, D r r А' 18 t.teGf( af1 n IIG.СП1U 1.111 / I с е фор1.4(lЦ / i / I I I I J / I I ' I I I  ocт 1 е' J  1 упр I Рэрушенuе Оупр [1  I  I  I I I t Рис., 13. пределах обладают этим свойством. В каки х же иrv1енно пределах? На языке диаrраммы дeq:орrdации этим пределом явля- ется точка А.......... rраница nepBoro участка. Абсцисса точки А представляет собой :максимальную деформацию материала, в пределах которой он ведет себя упруrо. 25 
Обозначим ее t:;IC. Ордината........ напряжение, которое вызывает эту деформацию,  называется пределом упру.. rости, (1 упр. Уточним смысл ec. Важнейшим признаком упру. rой деформации является ее обратиtОСТЬ  при разrруз- ке, т. е. устранении силы, вызвавшей деформацию, тело возвращается к своим исходным размерам и форме. Если речь идет об одежде, то, называя материал «немнущимся», f-vlbI подразумеваем именно это свойство обратимости де.. формации. Таким образом, если деформация не выходит за пределы упруrой зоны ОА, линия разrрузки идет вдоль прямой АО, и деформация уменьшается до нуля; размеры образца после разrрузки останутся теl\tlИ же, что и до наrружения, а значит, атомы (ионы) возвратятся в исходные позиции. ... ....,\.('......,....."" "'.', \, · А','. ,1 '. ,. . , '" , " " .  Рис. 14. l\1bI уже знаем, что это вызвано действием ПРУ)КИНОI{ сил межатомноrо взаимодействия (рис. 10), которые при рззrрузке возвращают атомы в исходные позиции, и форма тела восстанавливается. Но что прои3<?йдет, если 1Ы увеличим наrрузку и напряжение преsысит Оупр, а деформация выйдет за пределы ec? У пруrая дефор- мация продолжает нарастать прямо пропорциональн(} 26 
" растущеи величине напряжения, НО само напряжение теперь значительно медленнее увеличивается с pOCTO1 деформации, чем это было в пределах упруrоrо участка. ЛИНИЯ разrрузки в соответствии с законом rYKa идет параллельно прямой Ай, и появляется вторая состав- ляющая деформации......... пластическая. Общая величина деформации, соответствующая некоторой точке А', СКЛ3 4 , дывается теперь из 8 упр , кqторая исчезнет при разrрузке, и 8 0ет ......... остаточной деформации, которая остается после устранения наrрузки.\ Из рис. 13 видно, что В;пр больше, чем 8C, поэтому символ «макс» здесь не означает, что нельзя получить упруrую деформацию большей величины. Он означает лишь, что если общая деформация превысит I'УЛР" то она уже не будет чисто упруrой и форма тела после разrрузки будет отличаться от и.сходной. Мате- риал становится «мнущимся», это уже не вполне каче- ственный эластик. ,,' .....'...,':\'11 Рис. 15. Пластическая деформация продолжается вплоть до точки В, в которой напряжение достиrает маКСИМУfа. Эrо максимальное напряжение, которое может выдер- жать материал, называют пределом прочности или вре- менным сопротивлением. После Toro как достиrнуто это напряжение ОВ, вскоре наступает разрушение........ об- разец разрывается. т аким образом, если мы хотим, чтобы наше изделие спружинило», чтобы оно не давало остаточных деформа- 27 
ЦИЙ, нельзя, наrружая ero, превышать предел упруrости."\ Тоrда и дефоРlация не выйдет за пределы вc и пол.. НQCтью исчезнет при разrрузке. Важно, что в этой обла- сти напряжений и деформаuий они связаны ПрОСТЫМ 9 линейным rуковским соотношениеt'I. Это очень облеrчает расчеты конструкторам. Однако мы знаем, что линейная связь между межатомными силами и расстояниями дей.. ствует лишь при небольшом удалении aTOMO ОТ равно.. u весных положении Пределы упруrости металлов обычно очень низки. В следующей rлаве мы узнаем, почему пластическая де- формация металлов начинается и развивается при низ- ких напряжениях, а здесь примем как факт, что предел упруr,ОСТИ большинства чистых металлов........ порядка 10...........100 МПа. Даже у лучших сортов стали G упр редко превышает 103 Mfla. В ходе пластической деформации скорость роста Ha пряжения на 23 порядка ниже, чем в упруrой зоне. Таиrенс уrла наклона диаrраммы деформации к rори. З0нтальной оси (рис. 13) на первом участке равен МОДУЛIО :Юнrа Е, который для мноrих металлов имеет порядок 104........105 МПа, а на втором участке TaHreHC этоrо yr ла обычно порядка 102 МПа. Теперь, пользуясь законом rYKa, мы можем оценить предельную величину упруrой деформации металлов: 8 макс == Оупр . упр Е t значит, величина 8O f"J (101 + 102)/ (104 + 105), Т. е. порядка 10 и составляет десятые доли процента. В пла. стической области даже у весьма пластичных металлов к моменту разрушения величина упруrой деформации может увеличиться еще приблизительно на столько же. 1'ак что все наши «упруrие достижения» не выходят за пределы 1 % деформации. В этой области закон rYKa соблюдается достаточно хорошо. Как ожно экспериментально проверить З8I{ОН rYKa при больших деформациях? Казалось бы просто......... «за- претить» пластическое течение металла. НО ЭТОТ путь ведет к друrому краю пропасти....... металл, у KOToporo отняли способность пластически деформироваться. ста.. новится хрупким и часто разрушается при напряжениях ниже О'упр. И все же удалось «уличить» [ука с помощыо особоrо рода кристаллов......... «усов», которые способны 28 
упруrо деформироваться на несколько процентов, так как имеют прочность, близкую к теоретически возмож- ной, Но об этом........ в rл. 5, а сейчас мы от сухих цифр перейдем к близким Hafd примерам и решим следующий вопрос.  4. Почему стальная ПрО80Jlока пруЖИНМТ, а медная нет? Хотя в лабораториях метаПJlЫ чаще Bcero испытывают на растяжение, наиболее распространенной схемой наrружения в практике является изrиб. На иэrиб работают колеНЧ8,тые валы, оси BarOHOB, крылья и кор- пуса самолетов и др. Понятно, что изrиб не является .каким-то особым видом деформации; это Bcero лишь ком- бинация двух основных видов....... растяжения и сжатия. \ Рис. 16. ЕСllИ мы изоrнем по определенному радиусу Р ТОН- К ую плоскую пластину толщиной В (рис. 16), то 29 
ее внешние слои будут растянуты, а внутренние сжаты. На середине толщины, т. е. на так называемой нейтраль- ной оси, деформация будет равна нулю, и ее величина будет нарастать линейно по мере движения от этой оси к поверхности. Максимальная относительная деформа", ция будет, конечно, на верхней и нижней поверхностях пластины, а ее величину леrко определить. Длина внеш" ней полуокружности 'л/( р + В/2), а исходная длина этоrо слоя пр, поэтому относительная деформация:  n (р --{B/2)  пр  В 8  . пр V Если величина этой деформации е не превышает ec, то при разrрузке она исчезнет, и пластина снова станет плоской, поскольку, как видно из рис. 9, закон rYKa u /В равнои степени справедлив и для растяжения, и для сжатия. Теперь рассмотрим распространенный прим:ер с лезвием для бритья. Если ОНО имеет толщину 0,08 мм а) d) Рис. 17. u И изrотовлено из хорошеи стали с пределом упруrости '1000 МПа, то 8C составит r-vО,5 % (модуль Юнrа стали примерно такой же, как у железа.......... 2. 105 МПа, по- скольку примеси мало меняют модуль). Это значит, что можно изоrнуть это лезвие в полукольцо радиусом 10 мм (рис. 17,а) и при разrрузке оно распрямится, так как 8 == 0,08/20 == 0,4 %. КажДЫЙ леrко может убедиться в этом...... лезвие пружинит. Если мы попытаемся изоrнуть таким же полукольцом пластину из той же стали, но толщиной 2 мм (рис. 17,6), то деформация наружных слоев состаВИТrvlО %. Напря. 30 
жение, которое при этом возникает, должно пре- вышать Оупр, поскольку сама деформация ВЫХОДИТ да- .лека за пределы ec. На диаrрамме (рис. 13) такая де.. формация соответствует приблизительно точке А'. При разrрузке от точки А' исчезнет лишь упруrая ч[сть I деформации ........ приблизительно 0,5 %, а остаточная д='" формация составит 9,5 %. Значит, пластическая дефор- мация здесь почти в 20 раз больше упруrой (на рис. 13 масштаб по rоризонтальной оси несколько искажен), и коrда мы снимем наrрузку, КОНЦЫ полукольца лишь HeMHoro разойдутся в стороны, но оно останется почти таким же полукольцом, только чуть большеrо радиуса. Хотя о механизме пластической деформаuии и о спо- собности металла запоминать форму пойдет речь в сле- ДУЮЩИХ rлавах, уже здесь мы можем взrлянуть на опи- санную ситуацию ПОД несколы{о иным уrлом. Буквально слово «деформация» означает «изменение формы». Коrда при разrрузке деформация исчезает, тело возвращается ){ исходной форме. Между прочим, это означает, что на.. ходясь под любым напряжением, не превышающим Оупр' металл «помнит» свою первоначальную форму и «вспоми-- нает» ее сразу после устранения наrрузки. Так было и с нашим JIезвием. Признаком пластической деформации является ее 1fеобратимость. После разrрузки ПОЯВЛЯIОТСЯ остаточные изменения размеров и формы, т. е. память металлов на- чинает давать перебои. Способность металлов деформи- роваться пластически, конечно, оrраничена ........... рано или поздно произойдет разрушение. Но величина В ост перед разрушением у пластичных металлов составляет десятки процентов, Т. е. на 2 порядка превышает В упр . Это уже практически полный «склероз». Металл забывает ИСХОД'" ную форму И принимает новую. На такой «забывчивости» металлов основаны промыI" ленные процессы их переработки, коrда мы проделы'" ваем, например, путь от OpOMHoro слитка до тонкой проволочки. _  Теперь уже наверное понятно, как разобраться с во'" просом о стальной и медной проволоке. Проволока l'3 хорошей стали диаметром 1 мм, будучи изоrнута по оправ- ке радиуса 100 мм, находится еще «в здравой памяти», ТйК как ее максимальная деформация составляет 0,5 0/0. ()на полностью распрямится, если отпустить ее концы. Примерно так проверяли качество знаменитых булатных 31 
клинков на Златоустовском металлурrическом заводе. Клинки' изrибали до соприкосновения ero кончика с эфе-- сом и rодными считали те, которые полностью распрям... пялись. Медь, как видно из там. 1, имеет вдвое более низкиЙ модуль упруrости, чем железо или сталь, но rлавное, ЧТО она значительно сильнее уступает стали по величи. не Й упр . Предел упруrости технической меди редко дости" raeт 100 МПа. Подсчитав по rуковской формуле 8;C ::::1 == 100/105 == 0,1 %, мы убедимся, что, будучи изоrнута по той же оправке, миллиметровая медная проволока ока- жется пластически деформированной. Из полной дефор- мации 0,5 % лишь малая часть (0,1 %) придется на долю упруrо, а остальная (О,4 %) ........ на ДОЛЮ пласти- ческой деформации. КОНЦЫ проволоки после раэrрузки, Рис. 18. CJ конечно, иемноrо разоидутся в стороны, но сама она будет представлять собой уже не прямую, а часть окруж" насти радиусом приблизительно 125 ММ. Эrи несложные расчеты и есть обоснование наших ощущений, коrда МЫ r080рИМ (пружинит) или «не пружинит). В описанной 32 
ситуации медная проволока будет прекрасно пружинить, если уменьшить ее диаметр до 0,05 мм. Таким образом., ,вопрос заключается лишь в соотношении между преде- ЛОМ' упруrости и модулеl\f Юнrа материала (которое определяет 8C) И В величине относительной деформа.. ции при испытании.  5. Ле Шателье против rYKa I,aK мы уже знаем, во времена rYKa, т. е. в начале второй половины XVII века, остро стояла проблема создания пружинных часов. Водяные и сол- нечные часы к тому времени уже отжили свой век, а маят- никовые не устраивали мноrих и в частности мореплава- телей. Однако именно наблюдения за I{олебания:м:и маят- ника помоrут Hal\f разобраться в природе явлений, объеди- няемых общи 1\1 терминоrvl «неупруrость». К числу этих явлений относятся такие, как последействие, релакса- ция, внутреннее трение в металлах. Мы уже rоворили о 10М, что простое линейное соотно- шение лежду силой и удлинением, установленное rYKOM, верно лишь при малых деформациях, а при БОльших, хотя деформация остается чисто упруroй и исчезает после разrРУe;JКИ, она уже зависит от напряжения нели- вейно. Но есть друrая важная причина отклонения от rYKoB- CKoro поведения металла при напряжениях, значительно меньших О'улр' т. е. в той области диаrраммы деформации, KoropYlo мы привыкли считать чисто упруrой. Эта при- чина связана с действием фактора времени. Термин «релаксация» происходит от латинскоrо relaxa- tio, что в буквальном переводе означает «ослабление». Что- бы понять сущность релаксационных процессов, не надо далеко ходить за примерами. Каждому случалось втиски- ваться в переполненный автобус или BaroH метро, и всем . знакомы связанные с этим неприятные ощущения. В бок впивается чеЙ-то локоть, кто-то наступил на вашу Hory, а сосед еще норовит читать rазету, и как на rpex ОН выше ростом, так что ero рука лежит на вашем плече. Но вот поезд тронулся и постепенно напряжение со сто- роны соседей ослабевает, релаксирует, все утрясается, ка}кдый находит сравнительно удобную позицию и позу. Или, например, человек устал от тяжелой физической работы. Руки и ноrи «rудят», В мышцах как бы накопи- 2 в. А. 3аeiмовскиЛ. Т. Л. Колупаева 33 
.11ОСЬ напряжение. Человек прилеr отдохнуть  посте- пенно напряжение спадает, исчезает неприятное ощуще- ние усталости. Между прочим, совокупность процессов, вызывающих релаксацию внутренних напряжений в ме- талле, скажем, после сильной пластической деформации или закалки, так и называют  отдых. Металл тоже может отдыхать, и терl\IИН «отдых» широко используется в научной литературе. Позже мы. еще поrоворим о путях формирования научной терминолоrии. А сейчас вернемся к понятию релаксации. Этот термин приобрел в дальнеЙ тем более широкий смысл, и теперь им пользуются для описания мноrих процессов постепенноrо приближения к равновсию, после вызванноrо каким-либо воздеЙС1" вием изменения состо.яния систмы. Рис. 19. Известный французский физик и химик Анри Луи Ле Шателье (1850......... 1936), избранный в 1926 r. почетным иностранным членом Академии наук СССР, установил важную закономерность, которая, как оказалось, имеет довольно общий характер. Принцип Ле Шателье можно сформулировать так: внешнее воздействие, выводящее 34 
систему из положения равновесия, СТИ!\1У лирует в ней процессы, стремящиеся ослабить это воздеЙствие. Ни одна система не соrлашается безропотно переносить насилие над ней и мобилизует все свои внутренние ре 4 сурсы, чтобы el\1Y противостоять. С проявлением действия ПрИН4 ципа Ле Шателье :мы сталкиваемся довольно часто и еще не раз к нему вернемся. Сопротивление ме.. алла пруrой деформации также можно объяснить с помощью этоrо принципа: под внешней наrрузкой из:меняются l\1ежатомные расстоя- НИЯ, а силы межатомноrо взаиrvIО" действия меняются так, чтобы уравновесить внешнюю силу. Но реакция системы атомов металла  I [ I 1 f I f , о J ер .. е Рис. 20. на приложение внешней силы этим не оrраничивается; как уже сказано, система мобилизует все свои ресурсы для борьбы с внешним воздействием. Какая возможность есть в ее распоряжнии? 2* 35 
Вспомним о терrvlическом сжатии и расширении: при ИЗ1енении температуры меняются и расстояния между атомами. Мы еще будем rоворить о том, как металлы, за- поминающие форму, ожно заставить сжиматься О) при HarpeBe и какие это открывает великолепные перспек- тивы для техники. Но это лишь «маленькие хитрости», которые позволяют в какой"то мере обойти, но никак не отменяют известный закон: тела при наrревании расширяются, а при охлаждении сжимаются. Чтобы воспрепятствовать попытке увеличить расстояния между ero атомами, растянутый металлический образец «поста- рается» понизить свою температуру. Теперь снова рассмотрим уже знакомую нам схему изrиба металлической пластины (рис. 16). Ее верхняя половина растянута, а нижняя  сжата. Если Harpy" жение произошло достаточно быстро, то теплопередачей можно пренебречь, и температура нижних слоев будет выше, чем у верхних, растянутых. Затем возникнет по.. ток тепла, направленный снизу вверх. Следовательно, новое равновесное расстояние ме)lДУ атомами, а зна- чит, и величина относительной деформации, которая определяется законом rYKa, достиrаются не сразу, а по истечении определенноrо промежутка времени, не.. обходимоrо для выравнивания температуры. Посмотрим, как это обстоятельство отражается на виде диаrраммы деформации в упруrой области (рис. 20). Закон rYKa, который, как теперь ясно, полностью спра- ведлив ЛИIllЬ для случая бесконечно медленноrо Harpy- жения, выражается на rрафике прямой линией ОА. Если напряжение растет медленно, то в каждый данныЙ момент успевает установиться равновесное расстояние 1ежду атомами, а систеlа атомов проходит через после- довательность равновесных состояний. Если же растя- жение ведется достаточно быстро, то, в силу .принципа .Тlе Шателье, образец охла}кдается, в результате чеrо расстояния между атомами будут в первый момент мень- ше тех равновесных, которые отвечают rYKoBcKOMY соот- ношению. Значит, и относительное удлинение 80 меньше 8 р . В свою очередь это означает, что связь между напря- )I{ением и деформацией в первый l\110меит описывается не модулем Юнrа, а друrой, большей величиной (а} > ( 2 ). Далее при неизменном значении напряжения 0'0 расстоя- ние между атомами будет увеличиваться вследствие на- rpeBa образца от окружающеrо воздуха и соответствую... 36 
щеrо термическоrо раСIIIирения. Велична относительной деформации будет постепенно расти от Во до ер  по ЛlfНИИ А' А. Этот процесс называют релаксацией упру- rой деформации или упруrим последеЙствием. Модуль Ен, равный tg<Xl == оо/е о , называют нере.паксироваННЬП1. Он определяет связь между напряжением и деформа.. пией, коrда процесс релаксации еще не начался. Вели- чина Ев больше величины модуля Юнrа, соответству- ющеrо медленному наrружению (ero называют релак- сированным модулем Ер). Фактцчески теплообмен образца. с окру}кающей сре- дой, а значит, и процесс релаксации идет уже в ходе на- rружения и вместо ломаной ОА' А мы получаем плавную пунктирную кривую ОА, которая, однако, располаrа.. еlСЯ левее rуковской прямой. Выходит, что в каждыЙ u данныи момент наrружения связь между о и 8 описыва- е1СЯ некоторым эффективным модулем, который больше Ер, но меньше Е н . Ев и Ер относятся к двум крайним (:.пучаям: в рассмотренном примере Е н  К адиабатиче- скому, коrда в ходе наrружения исключен теплообмен образца с окружением, а Ер  к изотермическому, коrда в результате теплообмена (медленное наrружение) теl\Л- пература образца не успевает меняться: При разrрузке все процессы пойдут в обратном по- рядке, и мы получим пунктирную кривую АО, симмет- ричную кривой ОА arносительно прямой ОА. MHoro- кратно повторяя циклы «наrружение ....... разrрузка» с той же скоростью, мы будем двиrаться по петле ОА(). А те- перь задумаемся над тем, что означает образование петли на диаrрамме а........ 8.  6. Работа упруrой деформации Если бы разбойник Прокрус'f умел изме- рять напряжения, ТО Mor бы точно вычислиfь работу, эатрачиваемую им На еТо черное дело. Действительно. работа...... это произведение силы на путь. При растяже- нии образца путь равен абсолютному удлинению lt а работа А == F l, rде F  среднее значение силы, вызвавшей удлинение l. Теперь найдем величину ра- боты, необходимой для упруrой деформации единицы объема образца. Поскольку речь идет об упруrой де- формации, среднее значение силы будет равно F /2, так 31 
как сила линейно растет от О дО Р. Объем образца пред- ставим в виде произведения площади ero поперечноrо сечения S на длину lo, и тоrда удельная работа 1 F Al 1 а == 2 Slo "2 ае. Итак, работа упруrой деформации на единицу объема (удельная работа деформации) равна половине произве- дения напряжения на величину относительной дефор- мации. При напряжении 0'0 на рис. 20 она будет численно равна площади треуrольника ОАе р . Леrко доказать, что удельная работа деформации а BcerAa равна площади фиrуры, оrраниченной диаrрам- мой, вертикалью, проведенной из той точки диаrраммы, до которой мы дошли в процессе наrружения, и rори- эонтальной осью (площади под соответствующим участ- ком диаrраммы). Теперь понятно, что если мы наrружаем и I рззrру- жаем образец очень медленно (изотермически) и ли- нии наrрузки и разrрузки на диаrрамме деформации сов- падают....... прямые ОА --+ АО, ....... то при наrружении за- 'Iрачивается ровно столько же работы, сколько выде- аТlЯется при разrрузке. В действительности же при на- rружении затрачивается работа, равная площади ОАв р (rде ОА  левая пунктирная кривая), а при разrрузке высвобождается работа АОв р , (rде ОА  правая пунктир- ная кривая). Площадь самой петли есть мера механиче- ской энерrии, которая утеряна в цикле наrружение  разrрузка. Таким образом, появление петли на диаrрам- ме а  в свидетельствует о рассеянии энерrии в цикле наrружение  разrрузка.  7. Почему звонит KOJlOKOJl, ИJlИ внутреннее трение в MeTaJlJlax В замечательном романе э. Хеминrуэя «По ком звонит колокол», конечно, не рассматривается вопрос, почему ОН эвонит. Автора и читателей волнуют друrие проблемы. Да собственно, в вопросе о том, почему эвонит колокол, нет особой заrадки. Удар язычка о стен- ки колокола вызывает колебания колокола, а/затем и звуковую волну определенной частоты, которая воспри- нимается барабанными перепонками ушей. Интересен друrой вопрос. Почему так долrо звучит колокол после 38 
каждоrо удара язычка? Или, почему так долrо не зату" хают в нем колебания? Здесь мы вернемся к примеру с маятникоrvf. Если прикрепить к маятнику снизу каран-. даш, а под ним с постоянной скоростью пустить бумаж- ную ленту перпендикулярно плоскости качания, то ка- рандаш нарисует известную всем кривую, изображенную . ) 1\ 1;.\ Рис. 21. на рис. 21. Колебания маятника постепенно затухают в результате действия внешних сил сопротивления (тре- ния о воздух, о бумаrу и пр.). Затухание колебаний есть не что иное, как процесс релаксации........ постепенноrо приближения к равновесию, из KOToporo был выведен маятник. Закон изменения амплитуды колебаний маят- ника со временем (пунктирная кривая на рис. 21) опре. деляется формулоЙ: А == Aoe ве. 39 
Это знаменитая экспонента  показательная функция  с основаниеУ1, равным основанию HaTypaJibHOrO лоrа- рифма, которая управляет мноrИl'vIИ проuессами в приро- де. В написанном выражении Ао  начальная амплитуда колебаниЙ Iаятника, t  врем.я, а В......... константа, об- ратная величина которой называется. вре:менем релак- сации. В начальный момент (t == О) амплитуда А == Ао, а через ПрО!\1ежуток времени, равный 1/ В, она умень- шится в е раз. Хотя полное равновесие в прИfIципе дости- rается лишь при t == 00 (А == О), доля релаксационных изменении, ПРОИСХОДЯLЦих за ремя I/В, считается до- статочно «львиной». е! I ер  е о  00= coпst Рис. 22. ..  t ЭкспоненциальноЙ зависимости от времени подчи- няется и величина дефОРlviации в ходе релаксационноrо nроцесса, иллюстрированноrо рис. 20. Если изобразить это в координатах деформация..... время, то получится 40 / 
такая картина (рис. 22). На участке релаксации недо- стающая часть деформации (недостающая до равновес- Horo значения ер) уменьшается по тому же закону, что и амплитуда маЯТRика.  ..... ..... ...+0 J J J t I '...е j I J 1 t i +еl J I f J I  ...... ..... ..........  a .........  ____ J Рис. 23. Колебания маятника затухают, как уже было сказано, изза действия внешних сил трения. Если нам удалось бы устранить их, то маятник качался бы вечно. Если )ке мы возбудим колебания металлическоrо предмета (ска- жем, возьмем металлическую линейку, зажмем один ее 'конец, а друrоЙ отведем в сторону и отпустим), то они будут затухать даже в самом кромешном вакууме и при полном отсутствии внешних источников трения. При- чина затухания  наличие BHYTpeHHero трения в ме- таллах, образование петли на диаrрамме деформации вследствие протекания релаксационных процессов. Кар- тина, изображенная на рис. 20, качественно не изме- няется, если Bl\feCTO цикла наrружеlIие .......... разrрузка мы 41 
имеем дело с циклом растяжение  сжатие, Т. е. если напряжения и деформации циклически меняют знак. В примере с линейкой будет именно такая ситуация: она будет изrибаться то в одну, то в друrую сторону, но это не спасает от появления замкнутой петли на диаrрамме а ..... в (рис. 23). Здесь речь уже может идти об амплитуде изменения напряжения и деформации, и аналоrия с маятником еще более наrлядна. С течением времени уменьшается ампли- туда свободных колебаний. Соответственно уменьшается и площадь заштрихованной петли, поэтому в каждом с лед у ющеl\1 цикле амплитуда . изменяется все lеньше. Таково свойство экспоненциальной функции: если ее показатель положителен, то она возрастает все быстрее (снежный ком), а если отрицателен, то она уменьшается с затухающей скоростью. Чем меньше отклонение от равновесия, тем медленней система приближается к нему (рис. 21 ) . Скорость затухания колебаний или вреl\IЯ релаксации характеризуется площадью петли в первом цикле, а она, в свою очередь, зависит от источника релаксации, дей- ствие KOToporo ответственно за появление BHYTpeHHero трения. Существует несколько различных мер BHYTpeHHero трения,которые отличаются численными коэффициентами. Одна из них  отношение энерrии, потерянной за один цикл колебаний, к полной энерrии цикла, т. е. отноше- ние площади петли к площади прямоуrольника со сто- ронами 2а и 2в, окружающеrо петлю (он показан на рис. 23 пунктиром). При термоупруrом затухании, о ко- тором идет речь, это отношение порядка 1 : 10 q , и СООТ- ветственно внутреннее трение порядка lOq, так что петля на рис. 23 изображена в искаженном масштабе. Однако существуют и значительно более мощные источники релаксации, которые создают внутреннее тре- ние порядка lO1. Теперь уже леrко ответить на ВОПРОС, из KaKoro материала нужно делать колокол, а из KaKoro станину тяжелоrо молота или друrую аМОРТИЗИРУЮЩУIО деталь или конструкцию. В первом случае надо взять материал, в котором в максимальной степени подавлены все источники релаксации, материал с минимальным: внутренним трением. К таким относится, например, твердый и хрупкий сплав меди с 25 % олова, который дает хорошее, длительное звучание. Сплав той же меди 42 
с 2530 % марrанца обладает orpoMHbIM внутренним трением. Ero так и называют  «немой сплав», он совсем не звучит, так как в первых же нескольких циклах колебания практически полностью rасятся изза действия особых внутренних источников рассеяния энерrии, о ко... торых мы поrоворим позже. Более дешевым материалом с меньшим, но достаточно высоким внутренним трением, является чуrун. Станины крупных станков и кузнечных молотов отливают из чу- rYHa, в частности, по этой причине. Если бы материал станин плохо поrлощал звук, в цехах стоял бы невообра- зимый шум, KOToporo не вынесли бы даже тренированные уши звонаря. ( ( Рис. 24. в случае paccMoTpeHHoro тепловоrо релаксационноrо nроцесса ремя релаксации определяется теплопровод- ностью материала и некоторыми друrими ero физически- ми свойствами. Допустим, что частота колебаний будет очень высокая (а ее мы можем реrулировать, меняя, на- 43 
пример, длину свободной части линейки  так скрипач, реrулирует высоту звука, меняя свободную длину стру- ны). Тоrда за вреrvIЯ одноrо полуцикла колебаний еще не успеет начаться процесс выравнивания температуры, как напряжение уже поменяет знак. В каждый данный 10MeHT св'язь между напряжение1 и деформацией будет определяться нерелаксированным модулем Е н (рис. 20), а петля на рис. 23 выродится в прямую линию с накло- ном а 1 (см. рис. 20). В этом предельном случае внутрен- Hero трения нет. Наоборот, если частота колебаний очень низка, в ходе наrружения, разrрузки и в друrом полуцикле все время будет успевать устанавливаться тепловое равновесие, и МЫ получим прямую с наклоном а2. BHYTpeHHero трения снова нет. Q,) ::, :t: Q,)  Q,) Q,)  Q,)  '  >4)   'с:) ()  (j  t  flJ ИО '> Q) со Q о'-  3 ... ..с;. ф а .,:;.  0d: '4 tJC т" ы r .,. Рис. 25. Отсюда понятно, что внутреннее трение как функция частоты колебаний будет нарастать, достиrать максимума и затем спадать (рис. 25). Максимальное внутреннее трение возникает тоrда, коrда время одноrо цикла будет 44 
совпадать со временем релаксации данноrо процесса, ОТ- BeTcTBeHHoro за рассеяние энерrии. Таким образом, максимальному затуханию соответ- ствует условие 00/ В . OO't p === 1, rде 00........ частота коле.. баний, Тр......... время релаксации. С одной стороны, это уточняет требования к мате- риалу колоколов и друrих звучащих изделий. Для них (о известна  это собственная частота колебаний, кото- рая зависит от свойств материала (модуля Юнrа, плот- ности) и от rеометрии изделия. Значит, надо блокиро- вать не все источники релаксации, а лишь те, для кото- рых 't p бли зко К 1/00. с друrой стороны, внутреннее трение сравнительно леrко определяется экспериментально методом измере- ния скорости затухания свободных колебаний и неко- торыми друrими способами в диапазоне частот от сколь  уrодно низких до меrаrерцевых (миллионы циклов в се- кунду). Это дает в руки физиков мощный инструмент исследования разнообразных внутренних процессов в ме- таллах. Об одном интересном примере I\1bI paCCKa}Kervl в следующем параrрафе.  8. Как измерять скорость диффузии атомов, коrда они не диффундируют? Проблема диффузии ......... это одна из ключе- вых проблем физики твердоrо тела. Движущей силой диффузии обычно является различие концентраций ра- cTBopeHHoro вещества в разных объемах тела. Например, если в железе растворен уrлерод и в каких-то участках концентрация ero атомов больше, чем в друrих, то атомы уrлерода будут двиrаться в том направлении, rде их меньше. Кристаллическая решетка большей части 1e- таллов соответствует одному из трех типов, показан- ных на рис. 26 упаковки ионов (шаров): rранецентриро- ванная кубическая (рис. 26, а), rексаrональная плотно" упакованная (рис. 26, б) и объемно центрированная ку- бическая (рис. 26, в). При комнатной температуре железо существует в своей а-модификации и имеет решетку TpeTbero типа. Атомы уrлерода располаrаются в межузлиях решетки OCHoBHoro КОМПQнента, внедряются в промежутки между ero атомами. Эrо, между прочим, не так леrко, поскольку атомы металла плотно прилеrают друr к друrу. Напри- 45 
мер, в пору, соответствующую ПОЗИЦИИ в центре ребра куба, можно вписать шар радиуса 0,02 нм, так что даже маленький атом уrлерода не помещается в ней. Он с тру- дом «втискивается» на свое место и вызывает искажения в решетке, раздвиrая соседние атомы железа. В процессе диффузии атом уrлерода совершает «ска- чок» из Toro межузлия решетки железа, которое он за- нимает, в соседнее, такое же межузлие, затем в следую- щее и т. д. Каждый раз он с трудом «протискивается» между плотно прилеrающими друr к друrу атомами растворителя, прежде чем окажется в соседней позиции внедрения, rде ему тоже тесн'О, но все же «терпимо». а) б) Рис. 26. в) Для Toro чтобы диффундирующему атому совершить скачок, он должен обладать избыточной энерrией (суще- ствует как бы некоторый энерrетический барьер, кото- рый нужно преодолеть). Высота этоrо барьера и есть так называемая энерrия активации диффузии Q. Чем выше температура, тем интенсивнее тепловые колебания атомов и тем леrче преодолевается барьер. Важнейшим показателем диффузионной подвижности атомов является коэффициент диффузии D. Соrласно теории диффузии расстояние, на которое в среднем уда.. ляется атом при диффузионных блужданиях за время t, пропорционально величине V Dt . Коэффициент диффу- зии имеет размерность см 2 /с, так что V Dt  размер- ность длины. Понятно, что коэффициент диффузии резко увеличивается с повышением температуры. Эту зависи- мость впервые установил шведский ученый с. Аррениус в 1889 r.: D == DoeQlkT. 46 
 Здесь k ......... постоянная Больцмана, а Do ........ коэффициент пропорциональности (предэкспоненциальный множи- тель) *). Чтобы измерить коэффициент диффузии какоrолибо вещества в данном металле, ero (или ero радиоактивный Рис. ;27. изотоп) наносят на поверхность металла, затем Harpe- вают и длительное время выдерживают образец при вы- сокой температуре, чтобы получить достаточно толстый слой металла со сравнительно большой концентрацией диффундирующеrо вещества (хотя бы около 100 мкм ......... . чтобы можно было хорошо видеть этот слой в микроскопе и точно измерцть ero). Тоrда, зная диффузионный путь V Dt и время отжиrа, этим методом можно измерить коэффициент D с достаточ- ной точностью. А как быть, если нужно знать коэффи- *) В книrе Б. с. Бокштейна «Атомы блуждают по кристаллу» (М.: Наука, 1983. Библиотечка «Квант», вып. 28) дeTa..ТIbHO paCCMOT рена проблема диффузии в твердых телах и убедительно показана необходимость определения параметров диффузии. 47 
пиент диффузии при невысоких температурах, коrда для получения TaKoro слоя требуются lVlесяцы? Здесь нет никакоrо преувеличения. НаПРИl\1ер, коэффициент диф- фузии уrлерода в железе при комнатной температуре порядка 10--17 см 2 /с, и перемещение атома уrлерода Bcero на одно межатомное расстояние требует уже нескольких секунд. А при температуре 900950 OC насыщение по- верхности железа уrлеродом на rлубину 1 мм (это очень распространенный в технике процесс  цементация) про- исходит за несколько часов. Понятно, что все дело в ве. личине коэффициента диффузии, который при 900 ос составляет примерно 10--7 CM 2 jc, т. е. на 10 порядков больше, чем при комнатной температуре (экспонента!). Скорость диффузии при этом увеличивается, соответ- ственно, на 5 порядков. Между тем параметры диффузии при низких темпера- турах знать очень нужно. В частности, в железе и стали уже при комнатной температуре кдут важные структур- ные изменения, связанные с перемещениями атомов уrле- рода на небольшие расстояния. Так как же быть? На помощЬ приходит уравнение Аррениуса. Поскольку Do и Q не зависят от температуры, достаточно измерить D при двух разных температурах (но обе должны быть вы- сокими, так как нужен достаточно толстый слой). Тоrда Dl==DorQ/kTI и D2===DoeQ/kT2, и в этой системе двух уравнений остается два неизвестных. Найдя Do и Q, мы можем методом экстраполяции вычислить коэффициент диффузии при любой температуре. Справедливость уравнения Аррениуса MHoroKpaTHO проверена экспериментально, но ведь все эти эксперимен- ты проведены в области достаточно высоких температур. Будет ли оно действовать и при низких температурах, правомерна ли экстраполяция? Есть основания сомне- u u ваться в этом, по краинеи мере, в некоторых случаях. Например, в сильно деформированном металле при низ- ких температурах есть множество дефектов кристалли- ческой решетки (о них речь в следующей rлаве), которые lorYT сильно влиять на диффузионную подвижность атомов. А при высоких температурах, необходи:мых для диффузионноrо отжиrа, их дисло уменьшается в тысячи раз, и мы поневоле получаем искаженное представление об их роли в диффузионных процессах. Так нельзя ли определить коэффициент диффузии u u непосредственно при низкои температуре, коrда самон 48 
диффузии практически нет (точнее, коrда она идет крайне медленно)? Здесь как раз и скажет СБое веское слово метод измерения BHYTpeHHero трения. Как мы уже установили, при растворении в решетке а-железа атомы уrлерода с трудом размещаются между z х Рис. 28. атомами железа и вынуждены раздвиrать их. Особенно сильно смещаются из нормальных положений два бли- жайших атома железа, расположенные по краям Toro ребра, центр KOToporo занял атом уrлерода. Изобразим элементарную ячейку а-железа утрированно (рис. 28, а), увеличив расстояния между атомами. Если Б данной ячейке находится атом уrлерода, то она искажается так, как (тоже утрированно) показано на позиции «8» ......... вме- сто куба мы получаеl\-I призму, у которой размеры по оси Z больше, а по двум друrим осям  меньше, чем у исходноrо куба. 49 
Поскольку атомыI уrлерода вызывают сильные иска- жения в решетке а-железа, в силу известноrо уже нам принципа Ле Шателье, оно не любит растворять уrлерод. При комнатной температуре предельная растворимость уrлерода в а..железе измеряется тысячными долями про- цента, так что один ero атом приходится на несколько тысяч ячеек. Искажения быстро убывают по мере уда- ления от занятой атомом уrлерода ячейки, поэтому ре- шетка в целом остается кубической. Кроме Toro, у атомов уrлерода нет никаких причин предпочитать ось Z дру- rим осям, поэтому они в среднем равномерно распреде- ляются по всем трем непараллельным ребрам куба. Условно эта ситуация изображена на позиции «6». Услов- ность в том, что трем атомам уrлерода будет слишком тесно в одной ячейке. Если в одной из них атом уrлерода расположится в ребре, параллельном оси Z, то в друrой u u удаленнои на тысячи межатомных расстоянии, он скорее Bcero окажется на ребре, параллельном оси Х или У и т. д. Однако ситуация резко меняется, если мы приложим растяrивающую силу, например, вдоль оси Z. Это само по себе вызывает искажения решетки Toro же вида, как на позиции «8». Вертикальные ребра растяrиваются, остальные сжимаются (так же, естественно, изменяются внешние размеры caMoro растянутоrо образца). Теперь позиции внедрения, наиболее удобные для атомов уrле- рода, перестают быть равноправными. Им удобнее рас- полаrаться в вертикальных ребрах, уже растянутых внешним напряжением, чем в rоризонтальных  сжатых. Это вызовет перескоки атомов из позиций в осях Х и У в вертикальные ребра и вызовет их дополнительное растя- жение. На рис. 28, ё показано, к чему это приводит . Здесь та же условность, что и на позиции «6»  каждый атом совершает этот скачок, конечно, в пределах «своей» эле- u u U ментарнои ячеики, но во всех ячеиках, занятых атомами уrлерода, они будут стремиться перепрыrнуть в BepT- кальное ребро. Атом уrлерода ищет то место, rде больше размер поры. Но такие же скачки из одноrо ребра в друrое атомы уrлерода совершают и при их диффузионном перемеще- нии в решетке. Скорость скачка определяется диффу- U U зионнои подвижностью атомов при даннои температуре. Имеется простое соотношение между коэффициентом диффузии и временем скачка 't в решетке с длиной реб- 50 
ра а, которое было установлено А. Эйнштейном: D == а 2 /-т:; это соотношение верно с точностью до коэффициента, за- висящеrо от rеоrviетрии решетки и близкоrо к единице (переписанное в виде а == V D't, оно напомнит вам уже знакомое выражение..... одно из основных уравнений диффузии). Вот мы и получили типичный релаксационный про- цесс, вызывающий внутреннее трение. Будем циклически ИЗl\fенять наrрузку, приложенную вдоль оси Z (растяже- ние  сжатие). Если частота колебаний очень высока и время цикла мало по сравнению с "с, атомы не успеют совершить перескок, как напряжение уже изменит знак и ребра Z начнут сжиматься, становясь BJ.\11eCTO более удобных, наоборот, более неудобными позициями внед- рения. Атом уrлерода успевает лишь «захотеть» переско- чить, как ситуация резко изменяется. \ При слишком низких частотах все перескоки будут успевать следовать за изменяющимся напряжением. В ходе наrружения атомы успевают заять вертикальные ребра, в ходе разrрузки  перескочить обратно и создать первоначальное беСПОРЯАочное распределение по трем осям. Коrда внешнее напряжение начнет сжимать кри- сталл вдоль оси Z, атомы из вертикальных осей будут пе- реходить в rоризонтальные и т. Д., причем, поскольку u u время цикла велико по сравнению с "с, в каждыи данныи момент будет успевать устанавливаться именно то рас- пределение атомов по трем осям, которое лучше Bcero соответствует величине и знаку напряжения. Как мы уже знаем, в этих двух крайних случаях BHYTpeHHero трения нет. Оно достиrнет максимума при частоте колебаний, отвечающей условию ffi't p == 1, при- чем "С р здесь близко по величине к 't ......... времени диффу- зионноrо скачка. Ведь не так уж важно, что именно яв- ляется движущей силой скачков ..... различие в концент- рации атомов уrлерода в разных местах, как при обычной . диффузии, или периодически изменяющееся внешнее напряжение, как в нашем примере. Теперь, измерив частоту ю, при которой внутреннее трение достиrло MaKCf{MYMa, и период решетки а, мы леrко определм коэффициент D. Интересно, что максимум виутреннеrо трения, обус- ловленный расс:мотренным процессом, при комнатной температуре обнаруживается при частоте около 1 ru, что очень удобно для измерений. Но вообrце мы можем 51 
по своему усмотрению изменять и частоту колебаний, и температуру образца. Эrо дает возможность найти энерrию активации Toro диФФузионноrо процесса, кото- рый нас интересует. Например, при температуре Тl' соrласно уравнению Аррениуса, коэффициент диффу- зии равен Dl' а время скачка (по формуле Эйнштейна) 'tle Если при этой температуре мы будем плавно изменять частоту колебаний ю, то внутреннее трение достиrнет максимума при ro 1 == l/'tl. При температуре Т 2 максимум появится при друrой частоте (02' так как коэффициент диффузии при этой температуре равен D 2 и время скачка 't2. Так мы снова получаем два уравнения Аррениуса с двумя неизвестными Do и Q. Остальное  дело техники. Вот мы и закончили самый, пожалуй, скучный раздел книrи. Дальше, как мы рассчитываем, дело пойдет ве- селее. В «Записных книжках» написано: «Вы даже не представляете себе, каким я Mory быть скучным и нуд- ным». Если читатель улыбнется этой ильфовской шутке, то авторы MorYT себя поздравить. Если же скажет: «Вот именно», то они должны себе посочувствовать.  9. Что просто больше, а что...... сверх? Вообще rоворя, это  вопрос вкуса или темперамента. Есть очень впечатлительные люди, склон- ные к самым сильным терм.инам, а есть такие, которые ничему не удивляются. Все же существуют более или менее общепринятые нормы и В' этом вопросе. Если чело- век в состоянии одолеть себе подобноrо в поединке, то это  обычный человек, если двоих-троих, то это очень сильный 11 ловкий человек, вероятно, владеющий прие- мами каратэ. ЕСJ1И же, как это часто бывает в кино- фильмах, один одолевает несколько десятков, то это уже супермен, сверхчеловек. Конечно, коrда жидкий rелий течет, не имея вязко- сти, или коrда электросопротивление f1еталла стано- вится равным нулю, термины «сверхтекучесть» И «сверх- ПрОВОДИ.10СТЬ» выrлядят, пожалуй, даже слишком скром- ными. Если медь имеет предельную упруrУIО деформацию только 0,1 %, а закаленная сталь  около 0,5 % (помни- те ПрИl\.fер с проволокой?), то это просто «больше», хотя у нас и сложи.пось мнение о том, что стальная проволока пружинит, а медная........ нет. А вот если преде.пьная упру- 52 
rая дефОР.1ация составляет 1 О % и более, т. е. в 20......... 100 раз превышает норму, то вряд ли кто-нибудь возра- зит против термина «сверхупруrость». Рис. 29. Чтобы понять внутренние причины проявления сверх- упруrости, надо заrлянуть в rл. 4. А можно вместе с .нами вначале рассмотреть внешнюю сторону этоrо интерес- Horo явления и те практические следствия, которые оно имеет, а затем уже заняться анализом причин.  10. liесматывающаяся проволока Случаось ли вам видеть, как из проволоки делают пружину? Берут оправку  цилиндрической фор- мы пруток соответствующеrо диаметра, один конец ее зажимают в патроне TOKapHoro станка, и тем самым заставляют ее вращаться. Затем по копиру, с определен- ным шаrом наатывают проволоку на оправку. rотовая пружина леrко СНИlVlается с оправки, так как диаметр пружины увеличивается, после Toro как освобождаются ее концы  ведь упруrая часть деформации 'при раз- rрузке исчезает. Значит, чтобы получить цилиндрическую пружину заданноrо внутреинеrо диаметра, надо брать оправку несколько меньшеrо диаметра, делая поправку на упруrую «отдачу». 53 
Навивая пружину, МЫ, конечно, заходим довольно далеко в пластическую область диаrраммы деформации, развиваем напряжение, превышающее О'упр' поэтому И получаем резкое изменение формы первоначально пря- мой проволоки. Упруrая «отдача»..... это проявление остатков памяти, слабые воспоминания металла о ero исходной форме. Как рассчитать диаметр оправки, мы уже знаем (см. с. 32). Например, если l\fbI хотим свить пружину диаметром 250 мм из миллиметровой медной проволоки, то надо брать оправку диаметром 200 мм *). Если же намотать на ту же оправку пруток диаметром 20 мм, то деформация наружны?, волокон составит 10 % и «отдача» будет очень мала, так как упруrая деформация в этом случае в 100 раз меньше пластической. Итак, если проволоку какоrолибо диаметра наматывать на оправку в 10 раз большеrо диаметра, то внутренняя по- верхность пружины после разrрузки будет довольно близко примыкать к наружной поверхности оправки. Специалисты-пружинщики все эти расчеты проделы- вают машинально, в уме. Большой опыт позволяет им «на [лаз» определять, какая пружина получится из ка- кой проволоки на данной оправке. Можно представить себе их изумление, коrдз им показали навитую по всем правилам пружину с соотношением диаметров проволоки и оправки 1 : 10, которая полностью «рззвилась», как только отпустили ее концы. Проволока вповь сделалась прямой! Ситуация выrлядит довольно странно. Вроде бы нас убедили в том, что предельная упруrая деформация ........ доли процентз, что эту цифру, как два стража, охраняют, с одной стороны, пластическая деформация, с друrой  разрушение. Мы уже rоворили и еще вернемся к этому вопросу в r л. 5, что есть особые кристаллы  усы, ко- торые можно деформировать упруrо на 35 %, но 10 %  это чересчур. И все же «если очень хочется, то можно»! Нашлись такие материалы. Правда, меанизм явления здесь принципиально отличается от механизма обычной упруrой деформации, но об этом позже. Посмотрим, как выrлядит диаrрамма деформации сверхупруrоrо материала (рис. 30). Вначале идет обыч- *) На самом деле пружина и кольцо  TO не полностью вна- Jlоrичные в механическом смысле детали и расчет оправки для пру- жины несколько CJlожнее, но принцип здесь, конечно, один и тот же. 54 
ный rуковский участок ОА, а затем диаrрамма резко изrибается вправо, и пока мы не начали разrрузку, мы вполне можем принять точку переrиба за предел упру- rости. rлавный признак налицо.......... скорость роста напря... жения резко уменьшилась, похоже, что началось пласти- ческое течение металла. Коrда накопилось общее удли- нение, соответствующее относительной деформации.... в  1 О %, мы начинаем разrрузку, ожидая, что она пойдет по линии А"С, параллельно rYKoBcKOMY участку  упруrая деформация будет уменьшаться, и в итоrе по... лучится остаточная деформация Воет  10 %. А' --......I ,....-- 11 ,,'- // "' / .,-" ;,,"- I ",-,' I ".; I // / / /с 10% с O . о Рис. 30. Но чудо! Линия разrрузки идет вдоль А' А, почти совпадая с линией наrружения, и далее  по АО, и вся наша якобы пластическая деформация исчезает. Взrля... ните на полукольцо, изображенное на рис. 17, б. В е... рится ли (на rлаз), что оно может полностью распрямить... ся, коrда мы отпустим ero концы? И все-таки это воз... МОЖНО. 55 
 11. Неслабеющие ПРУiКИНbl и немые сплавы Заманчивые перспективы открывает ис- пользование сверхупруrих сплавов в технике. Не рас- сматривая этот вопрос детально, мы остановимся лишь на трех принципиально важных обстоятельствах. Вопервых, задумаемся, почему. остановились наши наручные часы, если мы забыли их завести. Все ясно  «кончился завод». А что значит «кончился завод»? Это значит полностью разrрузилась заводная пружина, она исчерпала весь свой запас упруrой энерrии. А почему нельзя увеличить этот запас? Энерrия упруrой деформации единицы объема, как мы знаем, равна а == (18/2. Путь, связанный с увеличе- нием объема пружины, оБСУ)f{дать не будем..... это по- ведет к росту rабаритов часов и друrим неудобстваt\1. Может быть увеличить напряжение, туже затяrивать пружину? Но нас сдерживает величина (1упр. Больше rрузить нельзя, будут появляться остаточные деформа- ции с вытекаIОIЦИМИ отсюда последствиями. Тоrда нельзя ли увеличить деформацию? Но в упруrой области (1 и 8 связаны законом rYKa и любое увеличение 8 повлечет рост (1. Вот мы И оказались в тупике, выхода нет. При- ходится раз в утки заводить часы. Теперь изrотовим заводную пружину из сверхупру- roro материала и рассчитаем ее так, чтобы при ПОЛНОl\! u заводе в неи развивалась наПРЯ}l{ение, соответствующее точке А' на рис. 30. Остаточной деформации после раз- rрузки не будет, а carvla разrрузка будет длиться в де- сятки раз дольше, чем разrружался бы обычный металл от Toro же уровня напря}кения. В такой пружине запа сено при данном значении (1 rораздо больше упруrой энерrии, так как величина свеРХУПРУLОЙ деформации значительно больше обычной упруrой. Есть MHoro дру- rих разнообразных конструкций, в которых необходи.iО накапливать большую упруrую энерrию с тем, чтобы расходовать ее или постепенно, или же сразу «выплес- нуть» ее в нужный момент. Здесь сверхупруrие сплавы еще должны сказать свое веское слово. Второе обстоятельство по сути дела является одним из аспектов перваrо. Рассмотрим ero снова на примере пружины. BceM известно, что пружины постепенно «са- дятся», частично утрачивают свои функции. Часто при- 56 
чиной 91'oro являются внутренние процессы релаксации, протекающие в материале самой пру/кины. Но нередко возникает и друrая ситуация  пружина слабеет изза изменения размеров соединенной с ней детали, которое { . Рис. 31. происходит под действием самой пружины. Это может сильно ОСЛ02l{НИТЬ решение некоторых конкретных за- дач. Вот пример из области медицины, к которому мы еще вернемся (см. рис. 69). Для лечения такой травмы, как перелом челюсти, применяют скобкупружинку, которую натяrива!от и вставляют в два отверстия, высверленных в кости по обе стороны от места перелома. Под давлением пружинки сращивание кости происходит rораздо быстрее, чем в свободном состоянии, но по мере сращивания концы пружинки сближаются, ее деформация уменьшается и оказываемое ею давление на кость снижается по закону [ука. Так происходит с любой «нормальной» пружи- ной........ изменение ее силовой характеристики следует линии Ай на рис. 13. Но взr лянем на линию разrрузки сверхупруrоrо ма- териала  А' АО на рис. 30. Видно, что на очень боль- 57 
шом перемещении усилие остается практически неизмен- ным, что и нужно для решения данной задачи. ЭтОТ метод уже используется в нашей стране и, между про.. чим, дает солидныЙ экономический эффект: больной бюл.. летенит одну неделю вместо обычных трех. MHoro подобных задач возникает и в технике, коrда требуется обеспечить постоянное усилие прижатия одной детали к друrой. Сверхупруrие сплавы с успехом исполь.. зуются, например, для изrотовления микрозондов, кон- тролирующих параметры интеrральных схем в электрон- ной технике. При контроле с помощью TaKoro lИКрОЗ0нда обеспечивается постоянство электросопротивления кон- тактной площадки и, следовательно, высокая точность измерений. И, наконец, снова о «rоворящих» И «немых» сплавах. Есть сверхупруrие сплавы, у которых линия разrрузки располаrается заметно ниже линии наrрузки, как пока- зано пунктиром на рис. 30. Вспомним, что внутреннее трение определяется площадью петли на диаrрамме (J  в; видно, что названная ранее цифра (внутреннее трение порядка 1 О %)  не предел для сверхупруrих сплавов. Если возбудить колебания в сверхупруrом сплаве с та.. кой исходной амплитудой деформации, которая уже выходит на сверхупруrий участок А А' диаrраммы, то они будут затухать с чрезвычайно большой скоростью. Амплитуда каждоrо следующеrо колебания будет в не- сколько раз меньше, чем предыдущеrо. При ударе МО" лотка по куску TaKoro сплава мы услышим лишь слабый, rлухой, короткий звук. Сверхупруrие сплавы  самые «неМые» из существующих. Вряд ли можно придумать лучший металлический амортизатор, если не прибеrать к специальным конструктивным приема1  использова- нию rидравлики и пр. 
r ЛАВА 3 ПЛАСТИЧНОСТЬ И СВЕРХПЛАСТИ ЧНОСТЬ ПРОДОЛЖИМ свой путь ВДОЛЬ линии о (в) (рис. 13) и рискнем зайти за точку А диаrраммы дефор- 1аuии. Мы попадаем во владения Пластичностиодноrо НЗ важнейших свойств металлических материалов. Это .., СВОИСТВО металлов  давать значительные ос'rаточные деформации без разрушения или практически полностью забывать свою исходную форму и леrко принимать но- вую  имеет orpOMHoe значение для техники. Ломоно- совское определение  металл есть светлое тело, кото- рое ковать можно, ----- основано именно на этом своЙстве. Оно настолько важно, что издавна и до сих пор симво- лом рабочих прсий остается МОЛОТ,т.е.инструмент, которым «ковать можно». Но дело не только в способности металлов ИЗl\1енять форму. ЭтD Bcero лишь одна, так сказать технолоrиче- скаЯ t сторона пластичности. Друrая ее сторона во fvlноrих случаях еще важнее: пластичность является BparOM раз- рушения, а значит союзником металла в ero борьбе с внешними наrрузками. Здесь речь идет уже о взаимо-  отношениях металла с различными воздеиствиями не D процессе изrотовления деталей, а в процессе их службы. В нехватке пластичности кроется причина мноrих ката- строфических разрушений металлических изделий, о которых пойдет речь в rл. 5.  1. Пластичность. Как УДЛИНИТЬ I(ОЛОДУ карт? Мы уже рассматривали три основных типа кристаллической решетки металлов. Взаимное располо- жение атомов в этих решетках можно представить как упаковку биллиардных шаров (рис. 26). Предельная плотность упаковки достиrается, коrда каждый шар окру- }И.ен в пространстве 12 такими же шарами. Этому случаю 59 
rCf}TBeTCTBYIOT rранеuентрированные кубические и reKca.. rональные плотноупакованные решетки. В этих рещет- ках коэффициент заполнения объема атомами равен 0,74 и только 26 % объема приходится н? долю пор между атомами. Третий распространенный тип решетки метал- лов, с которым мы уже знакомы,  объемноцентриро- ванная кубическая. Коэффициент заполнения объема у металлов с такой решеткой несколько меньше......... 0,68, но это не означает, что больше размеры рустот между атомами. Наоборот, несложные rеометрические вычисле.. ния показывают, что размеры пор в этой решетке меньше, чем в решетках с предельно 'плотной упаковкой, просто самих этих пор......... оольше. Если мы разрежем кристалл с плотноупакованной решеткой по плоскости с наиболее тесной укладкой ато- мов, то получится картина, изображенная на рис. 32. Теперь приложим пару внешних сил так, как показано на рисунке. Это вызовет появление касательных напря- жений '(, которые стремятся сдвинуть один атомный слой относительно соседнеrо. Такой способ пластической деформации называется скольжением...... слои кристалла сдвиrаются, скользят по друrим. Воображаемые плоскости, разделяющие эти СЛОИ, называют плоскостями скольжения. Обычно в сколь- жении участвуют плоскости с наиболее плотной упа- u ковкои атомов, поскольку расстояния между ними в кри- сталлах l\-Iаксимальны и поэтому их леrче сдвиrать одну по, друrой. Расстояние- от плоскости, в которой атомы u " тесно прилеrают друr к друrу, до следующеи такои же плоскости близко к диаметру ато:ма. Если же мы выберем " друrую плоскость, в которои атомы расположены реже (пара таких плоскостей показана на рис. 32 пунктиром), то расстояние от нее до слеДУlощей такой }I{е будет замет- но меньше. Взаимное смещение (скольжение) таких пло- скостей требует БОльших усилий, вызывает большие на- рушения правильноrо aTOMHoto строения кристалла в зоне сдвиrа, чем скольжение вдоль плоскостей плот- ной упаковки. Как мы установили в rл. 1, касательные напряжения возникают и при растяжении (и при друrих способах деформирования). Вызванные ими сдвиrи обеспечивают удлинение стержня в направлении растяrивающей си- лы .......... рис. 33. Это напоминает сдвиr в стопке монет или в колоде карт. Мы не можем увеличить размер КОЛОДЫ. 60 
потянув сразу все карты в ПРОДОЛЬНОМ направлении, но длина колоды увеличится, если мы будем сдвиrать вдоль 2 7: .. 1 ",., r ..  /((!3) / Рис. 32. нее карты одну по друrой. Чтобы при пластической дефор- мации не нарушалась сплошность металла, слои, разде- ленные плоскостями сдвиrа, постепенно разворачиваются в направлении действия наrрузки. Эти сдвиrи, как мы уже знаем, необратимы: они и вызывают остаточную де- формаЦИIО. 61 
Особенно отчетливо такой характер пластической де- формации виден при исследовании металлических образ- цов, представляющих собой единый кристалл,  так на.. зываемых монокристаллов. На рис. 34 (внизу) показан на.. туральный СНИ.10К МОНОi'ристалла после пластической деформации. Сходство со стопкой монет налицо. Если вернуться к рис. 32, то леrко увидеть, что в кри- сталле может быть несколько равноправных плотноупа- кованных плоскостей (пары 11, 22, 33). Следова- тельно, при- пластическоч деформации кристалл ока- .жется перед выбором. Во. прос будет решен в пользу Al той плоскости ско.пьжения, ocт=T в которой будет действо- вать наибольшее Iасатель- ное напряжение. При дан- ном направлении действия внешней силы первой «за- работает» та rруппа парал- лельных плотноупакован- ных плоскостей, которые составляют с осью ратя- жения уrол, возмо)l{но более близкий к 45°. Ведь именно на площадках, расположенных под этим уrлом к оси растяжения, касательные напряжения максимальны. Несколько сложнее обстоит дело при деформирова- нии обычных поликристаллических металлов, которые состоят из множества зерен  монокристаллов , слу- чайным образом ориентированных друr по отношению к друrу. Такая структура всеrда получается при охлажде- нии расплава (если не принимать особых мер предосто- рожности, как при выращивании монокристаллов), по- скольку возникает множество зародышей твердой фазы, каждый со своей (случайной) ориентировкой решетки в пространстве. Процесс их роста и срастания друr с друrом и формирует типичную поликристаллическую структуру металла. На рис. 35 это изображено схемати- чески, а на рис. 36 представлена фотоrрафия поликри- сталла, полученная при увеличении в 400 раз. В поликристаллах деформация каждоrо зерна должна быть соrласована с деформацией всех ero непосредствен- ных соседей, иначе На rраницах зерен будут появляться разрывы, трещины, пустоты. К счастью, высокая симмет- 62 F Рис. 33. 
рия кристаллических решеток металлов, аличие не- скольких возможных плоскостей скольжения в каждом зерне позволяет обойти эту трудность. Все же процесс скольжения в поликристаллах требует БОльших напря- жений, чем в монокристаллах, но принципиально кар- тина скольжения не меняется. Происходит сдвиr одних слоев металла в пределах каЯ{доrо зерна относительно 'I   Рис. 34. соседних по плоскостям скольжения. Внешняя растяrи- вающая сила диктует необходимЬсть, разворота этих слое в направлении оси растяжения, который сопровож- дает их скольжение друr по друrу. В результате каждое эерно'вытяrивается в осевом направлении и сжимается в двух друrих. Так из совместной деформации отдельных зерен складывается общая деформация Bcero поликри- 63 
сталлическоrо arperaTa ...... например, растяrивае.10rо об.. разца, который удлиняется в направлении действия СИЛЫ. На рис. 37 схематически показан результат такой дефор- мации поликристалла, а на рис. 38  фотоrрафия Toro же металла, что и на рис. 36, получеН,ная при ЭТОМ же уве- личении. Рис. 35. Рпс 36. Рис. 37. Рис. 38. Мноrочисленные 9J{сперименты показывают, что плот.. насть металлов при их пластической деформации прак. тически не изменяется. Это подтверждает отсутствие 64 
пустот у rраниц и в теле зерен. Раз не меняется плот.. н ость , значит и объем деформируемоrо образца остается постоянным. Если он имел цилиндрическую форму, то ero поперечное сечение при растяжении уменьшается пропорционально росту длины.  2. Как ПРОИСХОДИТ сдвиr, или суровый боцман и хитроумный юнrа Очевидный rеометрический результат сколь- u жения одних частеи крцсталла по друrим .. появление ступенек на внешней ero поверхности. При значитель- ной пластической деформации ступеньки на поверхно- сти становятся различимы с помощью обычноrо оптиче.. cKoro микроскопа. Эrо было известно уже в начале ХХ века, и коrда было установлено кристаллическое u строение металлов, казалось, стал ясен и аТОМНБIИ меха.. низм их пластической деформации. Действительно, как будто напрашивается вывод, что одна плотноупакован.. ная атомная плоскость (и вся часть кристалла, ею orpa- ниченная) сдвиrается как жесткое целое относительно соседней атомной плоскости (и, значит, остальной части кристалла). Представления о том, что сдвиr одновременно охватывает всю. площадь плоскости скольжения, не вы- зывали сомнений до 1924 r., коrда известный советский физик .я. и. Френкель сделал оценку напряжения, не- обходимоrо для TaKoro процесса. Расчет я. и. Френкеля был очень простым, а ero результат  rромоподобным. Если рассматривать сдвиr u как одновременное смещение однои части кристалла по друrой (рис. 39), то приложенное касательное напряже- ние L должно быть периодической функцией величины смещения атомов из исходноrо положения х. Положения 1, 2 и 3 на рисунке....... это положения равновесия, но в положении 2 потенциальная энерrия 'системы атомов больше, чем в исходном положении 1. При переходе из 1 в 2 все атомы BepxHero слоя должны как бы взобраться на ropKY, а при переходе в положе.. иие 3 атомы BepXHero слоя как бы скатываются с rорки. Эrу аналоrию, конечно, не следует понимать буквально, так как речь идет не о силах тяжести, а о силах межатом- u Horo взаимодеиствия. Если продолжить сдвиr, то картина повторяется с периодом, равным межатомному расстоянию Ь в направ- 3 в. А. ЗаЙМО8скиА. Т. л. I(олупаева 65 
-r ...... 1 2 3 х 
лении скольжения. По сути дела положения 1 и 3 ни.. чем не ОТJIИЧ-ЗЮТСЯ друr от друrа в смысле Бззимноrо расПOJlожения атомов, однако первый период нашей сину" соиды соответствует появлению на правой и левой по.. верхностях кр'истаЛJIа ступенек высотой Ь, а каждый следующий...... росту этих ступенек (ВСЯКИЙ раз на вели- чину Ь), Т. е. увеличени-ю' сдвиrа. Для оцеиочноrо расчета можно принять, что напря.. жение сдвиrа 't есть синусоидаJIьная функции смещения х с период'ОМ Ь и амплитудой "'теор' которую И требуется " нанти: 't' == 't'Teop sin (2пх/Ь). Для малых смещений (при малых х величина sin х  х) 't == Т теор 2nх/Ь. С друrой стороны, при малых смещениях справедлив закон rукз, который для случая сдви'rовой деформации записывается в виде: 't == Оу, rде а...... модуль сдвиrа, у...... относительная величина сдвиrа, которая рав-на х/а. Приравнивая npaBbIe части двух последних равенств, получаем Т теор == оь /2па, а поскольку Ь  а, Т теор  G/2л. Конечно, это довольно rрубая оценка, так как мы приняли, что смещения атомов значительно меньше меж- aToMHoro расстояния и справедлив закон [ука. Поэтому не будем настаивать на коэффициенте 2п. Важно, что порядок величины "'теор мы нашли правильно. Неожиданно выяснилось, что касательное напряже- ние, необходимое для начала скольжения, ...... одноrо по.. рядка с модулеМ сдвиrаf Причем здесь восклицательный знак? А притом, что к моменту появления расчета я. и. Френкеля напряжения, при которых начинается пластическая деформация. и МОДУЛИ сдвиrа БЫJlИ Qире.. делены экспериментально для мноrих металлов flанри. мер, для чистоrо железа G  8.104 МПа, а 't упр  10 МПз, так что их соотношение отличается от расчетноrо в З* 67 
тысячу раз *). Примерно такое же rрубое расхождение с расчетом получилось и для друrих металлов. В чем же ошибка? Как оказалось, в самом исходном предположении об одновременном смещении всех атомов одной плоскости относительно соседней. Потребовалось, однако, 10 лет, чтобы прийти к такому очевидному сей- час представлению о том, что сдвиr не охватывает одно... временно всю плоскость скольжения. это кажется тем более странным, что подсказки мы теперь (задним умом!) находим на каждом шаrу. Ведь если не удается сделать что-либо разом, «в лоб», ТО можно это же сделать посте- пенно. Рис. 40. Представим себе, что на каком-либо судне боцман приказывает юнrе передвинуть по палубе тяжелую якорную цепь (рис. 40). Юнrа не имел бы никаких шан- сов на успех, если бы он пытался двиrать цепь. вправо, потянув за правый конец. Но, будучи хитроумным, он заходит с левоrо конца и сдвиrает последнее звено цепи вправо настолько, насколько позволяет пред- последнее. Дальше он передвиrает это предпоследнее звено, насколько позволяет третье от конца, и так же поступает с каждым следующим, пока не доберется до *) На диаrрамме деформации (рис. 13) мы откладываем нормаль- ные напряжения о и точка А соответствует аУПР. Но нормальные на- пряжения О' и касательные 't связаны соотношениями, которые были ывeAeHЫ в fЛ. 1. Можно принятьj. ЧТО 1'упр ::::s 0уп р L2. 68 
крайнеrо правоrо. В результате вся цепь перемеrцается вправо на длину одноrо звена, а поскольку в силах на.. шеrо юнrи повторить эту операцию MHorOKpaTHo, ему не страшен даже самый суровый БОЦl\lан. Тот же принцип использует в своем движении ryce. ница, так же опытный машинист, чтобы сдвинуть с места тяжелый состав, дает сначала задний ХОД, создавая за- зоры в соединениях BaroHoB, а затем уже троrается впе- ред, как бы подключая к составу BarOHbl, поочередно. И точно так же при скольжении в кристалле в положе- ние 2 на рис. 39 переходят не одновременно все атомы BepXHero слоя: они совершают это «восхождение» ПО очереди. Постепенность распространения сдвиrа по плоскости скольжения обеспечивается особоrо рода дефектами кри- v сталлическои решетки, так называемыми дислокациями. Представление о дислокациях впервые появилось в 1934 r. в теоретических работах Поляни, ОроваН8  и Тейлора, опубликованных одновременно, но выполненных неза- висимо друr от друrа. Это представление ПQЗВОЛИЛО прео- долетЬВОПИЮlЦее противоречие между реальным сопро- тимением сдвиrу и теоретическим. А с начала 50-х ro- дов открывается подлинная «дислокационная эпоха» 8 металлофизике. Появляются мощные приборы ......... элект- ронные микроскопы, позволяющие непосредственно убедиться в существовании дислокаций в металлах и изучать их поведение. Большая часть разработанных v к тому времени теоретических положении, описывающих свойства дислокаций, блестяще подтвердил ась на опыте. s 3. Дислокации в летнее время, под тенью акации, Приятно мечтать о дислокации. 1(. Прутков Сатирики, писавшие под этим псевдонимом, рысказали такой афоризм от имени вымышленноrо сына Козьмы Пруткова, Фаддея Козьмича, которому принад- лежит немало подобных «rлубокомысленных перлов» на военную тему. Термин «дислокация» здесь использован. конечно, в военном аспекте и означает размещение войск. Вообще же слово «дислокация» происходит от nа- ТИlIскоrо dislocatio ..... «смещеНИе» И В качестве научноrо 69 
термина использовалось раньше лишь в rеолоrlJИ для ('бозначения смещений в исходном расположении ropHbIX u ПОРОД ПОД влиянием, например, вулканическом Аеятель. ности. Что же такое дислокации в кристаллах, как они поз- воляют постепенно преодолевать сопротивление решетки сдвиroвой деформации? ОДИН из двух основных 'типов этих дефектов кристаJlЛИЧеской решетки  краевые ДИС- Jlокации (рис. 41). Краевая дислокация представляет собой линию оrраНИЧ-ИВ81OЩУЮ лишнюю атомную полу- плоскость, которая как бы вставлена в кристалл, напри- . u мер, сверху и не имеет продолжения в нижнеи части кристалла *). Видно, что вблизи края лишней полуплоскости ре- шетка искажена: межатомпыe расстояния ОТJlичают.ся ОТ межатомных расстояний в совершенной решетке. Зна- ЧИТ, вдоль дислокации тянется область кристалла с п()вы- шениой энерrией (так называемое ядро дислокации)........ чтобы вставить лишнюю ПОJlУПЛОСКОСТЬ в решетку, надо было затратить определенную работу. Чем ДJlиннее дис- локация, тем больше эта энерrия, поэтому дислокация всеrда стремится уменьшить свою длину и ведет себя в кристалле как «натянутая струна». Перемещение дислокационной линии, конечно, вме- u ц сте со всеи по.луплоскостью и вызывает сдвиr однои ча- сти кристалла относительно друrой (рис. 42) (на пnоской картинке линия дисл-окации проектируется в ТO'lKY). Если приложенное касательное напряжение стремится сдвинуть верхнюю часть кристалла вправо, то началь- ную стадию этоrо процесса можно представить так, как показано на позиции 1. На левой rрани кристалла уже образовал ась ступенька, но :иr eIЦe не охватил всю площадь плоскости скольжения. rраницей зоны сдвиrа и является наша краевая дислокация, которая пока нахо- дится вблизи левой rрани. На рис. 42, позиция 2, хо- рошо видно, что перемещение дислокации на одно меж- атомное расстояние в решетке требует лишь небольшой переrрунпировки атомов вблизи дислокационной линии. Здесь черными кружками показаны ПОJlОЖения атомов, соответствующие ПОЗИЦИИ 1. В дальнейшем ДИСJlОК3ЦИЯ *) Для прocroПi1 мы .рассматриваем здесь кубическую решетку, в которой атомы (ионы) расположены только в вершинах кубик()в. В реальных металлах возникает несколько более сло}кная картина, так как ООН 'Имеют плотноynакованные решетки. 70 
постепенно перемещается все дальше и дальше вправо и в конце концов ВЫХОДИТ на правую rpaHb кристалла, образуя на ней ступеньку. Рис. 41. Как ВИДНО, конечный результат получился таким же, u u как при одновременном сдвиrе всеи атомнои плоскости. НО для получения этоrо результата требуются неизме- римо меньшие напряжения. Ведь в расчете Френкеля необходимо преодолеть силы межатомной связи сразу на всей плоскости скольжения (рис. 39), «вкатить» ВСЮ верхнlOЮ плоскость на верхушки атомов нижней. Здесь же этот процесс происходит постепенно. При переходе 71 
от позиции 1 к позиции 2 нарушается только одна связь 2 .......... 3' и формируется новая полная атомная плоскость 2  2'. Полуплоскость 3' теперь становится лишнеЙ 9 и дислокация сдвиrается вправо на одно межатомное расстояние Ь. Таким образом верхняя плоскость ,перека.. тывается по нижней не так, как в модели жесткоrо сдвиrа (рис. 39), а так, как это делала бы rусеница, преодолевая препятствие. l' 2' J' l' 2';"  ... . т ., 1" .  4  1. "'" 1:' ...... . ] ] 1 ; ... 1 т ., .i. , ....., .......... .,j о 1 2 J 2 , ,. , от о 1 2 3 3 I t I I I t 1" t I I ...... I I I I I I I I I I I I 4 5 6 Рис. 42. в момент перехода дислокации из одноrо положения равновесия (крrда она находится точно посередине между двумя соседними полными, правильными вертикальными плоскостями) в следующее такое же, лишь один атом перекатывается через rop КУ. Все атомы, участвующие в движении дислокации, как видно, смещаются на рас- стояния, порядка межатомноrо. Конечно, такая же си- туация создается во всех атомных плоскостях, парал- лельных плоскости рисунка, поэтому, коrда мы rоворим содин атом», имеется в виду вся цепочка, перпендику- лярная чертежу........ край полуплоскости. Длина дисло- кации, Т. е. ее размер в направлении, перпендикулярном чертежу. может быть равна или соизмерима с rабаритом. 12 
кристалла в этом направлении. В плоскости чертежа все ВОЗ.мущения  отклонения атомов от нормальных пози- ций, которые они занимали до прихода сюда дислока- ции, .......... практически полностью rасятся при удалении от ОСII дислокации на несколько межатомных расстояний. Поэтому дислокации являются линейными дефектами решетки: их размер в одном направлении велик, а в двух друrих  мал. Если мы взrлянем на кристалл, изображенный на рис. 41 t сверху, то дислокация спроектируется в пря- мую линию которая будет стремиться занять симметрич- ное положение между двумя соседними плоскостями (позиция 4 на рис. 42). Эта линия должна будет перейти в соседнюю аналоrичную позицию, преодолев барьер, обозначенный пунктиром. Дислокация и здесь ищет обходные пути, возможность выполнить эту работу не сразу, а постепенно. Вначале в новое положение пере- ходит лишь небольшая часть длины дислокации  пози- ция 5  высаживается десант, а затем перетяrивается остальная часть  позиция б. Так сами дислокации, призванные обеспечить постепенность сдвиrа, в своем движении используют тот же принцип постепенности: в процессе перехода «на ropKe» находится не вся длина u u дислокации, а в каждыIи данныи момент  лишь ее не- большая часть. MHoroKpaTHo повторяясь, такой про- цесс приведет к выходу дислокации на поверхность  позиция 3.  4. Сколько требуется дислокаций? I не будем рассматривать здесь друrую катеrорию линейных дефектов  так называемые винто- вые дислокации, хотя они иrрают не менее важную роль в процессах пластической деформации, чем краевые. Стро- ение винтовых дислокаций и их движение в решетке имеlОТ свои отличительные особенности, но пусть они останутся за кадром. Будем считать, что мы в основном выяснили, как происходит скольжение в кристаллах. Но вслед З3 фундаментальными вопросами «что, как и почему?» обычно следует уже более прозаическое: «сколько?». Ответ на этот простой вопрос иноrда ста- вит новые «как и почему», в чем мы уже моrли убедиться. Например, Френкель первый задался вопросом, какое напряжение (сколько меrапаскалей) нужно приложить, 73 
чтобы вызвать сдвиr. Результатом было появление тео- рии дислокаций, которая сыrрала рев.ОЛЮЦИОННУЮ роль во мноrих разделах физики твердоrо тела. Итак, сколько дислокаций нужно, чтобы обеспечить сдвиrовую деформацию заданной величины? Эro один из первых вопросов, на который должна была ответить количественная дислокационная теория. Предположим, что касательное напряжение 't стремится вызвать сдви[' у вправо части кристалла с размерами 11 и 12 (рис. 43), причем в процессе участвует п дислокаций, скользя- щих в параллельных плоскостях. Введем количествен- ную меру........ плотность дислокаций р, которая опреде- ляется как число дислокаций на единицу площади по- верхности кристалла: р == n/ll1z. Иноrда используется друrая мера плотности дислоКаций......... суммарная длина всех дислокационных линий в единице объема. Если предположить, что все дислокации прямолинейны и пер- пендикулярны площадке, на которой мы фиксируем их ВЫХОДЫ на поверхность, то эти меры идентичны. Вообще же они не совпадают, но при оценках можно пользоваться любой из НИХ. ДЛЯ простоты мы выберем первую. Коrда дислокации пробerут путь II от левой до "ра- u ВОИ rрани кристалла, каждая из них даст на поверхности ступеньку величиной Ь (см. рис. 42). Пока ступеньки есть только на левой rрани кри- сталла, значит изменение ero размера в направлении u u u оси х, связанное соднои дислокациеи, на этои стадии деформации меньше Ь. Это изменение размера б, состав- ляет ТЗI<УЮ же долю от Ь, какую пробеr ДИCJJокации JC составляет от 11: х б==Ьt;8 Понятно, что при х == II получим б == Ь. . Полное изменение , размера кристалла в направле- нии оси х будет равно сумме тех смещений б, которые u u связаны о кажДОИ диспокациеи: Ьпх /1 == б 1 + б 2 + · 8 · + б п == т ' rAe n  число ДИCJIокаций, а :f  усредненная по всему кристаллу длина пробerа ДИCJIокапий. Orносительная деформация сдвиrа в плоскости ху равна изменению размера вдоль оси х, деленному на 74 
y 1.... J........ .1...... х Рис. 43. 
исходный размер ВДОЛЬ оси у: Ьпх y  1112 · Но n/ltl'1, ........ это и есть плотность дислокаuий р, поэтому у == Ьрх. Теперь можно сделать интересующую нас оценку. Примем, что средний пробеr дислокаций равен среднему расстоянию между ними, которое в свою очередь, оче- видно, равно lfllp. Тоrда у == bVP. Так как Ь в метал- лических кристаллах равно (2 + 3) .10...8 см, для полу- чения деформаций порядка десятка процентов нужно rv 1013 дислокаций на 1 см 2 . Рис. 44. Такая плотность дислокаций близка .к предельной, так как среднее расстояние между ними при этом........ по- рядка десятка межатомных расстояний. Ещ HeMHoro  и начнут уже перекрываться искаженные области ре- шетки вблизи оси дислокаций и не останется атомов, занимающих нормальные позиции в ее узлах. И тем не менее в сильно деформированных металлах эксперимен- тально измеренная плотность дислокаций действительно приближается к этой цифре. Сама же цифра должна про- изводить весьма серьезное впечатление, так как она rла- сит, что в кусочке сильно деформированноrо металла размером с булавочную rоловку суммарная длина дисло- l{ЗЦИОННЫХ линий превышает расстояние от Земли ДО J1YHbI! 76 
I 5. Откуда ОНИ берутся? Но вернемся с Луны на ЗЕ'М:ЛЮ и задума- емся о том, откуда в кристалле возникает такое orpoMHoe количество дислокаций. Уже давно известно, что они возникают в металле в процессе кристаллизации. Од- нако, коrда были развиты экспериментальные методы исследования дислокаций, выяснилось, что типичные значения плотности дислокаций в металле послезатвер- девания 106  108 CM2, а это значит, что в процессе пла- ' стической деформации их число возрастает на несколько порядков. GHoBa ответ на вопрос «сколько?» вызвал во- . прос «как?». Как происходит 8 столь резкое увеличение плот- 5 ности дислокаций? 4 Остроумный механизм раз- 3 множения дислокаций был пред- ложен анrлийскими физиками Франком и Ридом, которые пришли к этой идее в 1950 r. практически одновременно и не- зависимо. Утверждают, что раз- Рис. 45. ница составила Bcero несколько часов, но мы не знаем точно, кто из них был первым. 1 Поэтому механизм размножения дислокаций назвали именем обоих ученых  механизм Франка....... Рида. Соrласно идее Франка и Рида источником, порождаю- щим дислокации, является отрезок дислокационной ли- нии, зарепленный по концам, в точках А и В (рис. 45). Эти точки в дальнейшем будем считать неподвижными. Ими MorYT служить места соединения дислокации АВ с друrими дислокационными линиями, которые пересе- кают плоскость скольжения (плоскость чертежа) и поэ- v тому не MorYT двиrаться в неи. Если приложить напряжение 't, дислокация АВ выrи- бается вверх. Этом у препятствует натяжение дислока- . u ционнои линии  закрепленная по концам струна всеrда старается выпрямиться. Однако, если напряжение 'V растет, дислокация выrибается все сильнее, пока она не превратится в полуокружность. Расчеты показали, что после этоrо дислокационная линия теряет устойчивость и расширяется, как показано на рисунке, охватывая все большую и большую площадь. В итоrе взаимодействия сближающихся в нижней части плоскости скольжения 77 
двух участков дуrи петля замыкается, а дислокация АВ возвращается в исходную позицию. Но продолжает дей- ствовать приложенное к кристаллу напряжение '{, и процесс MHoroKpaTHo повторяется.  6. Дислокации  желанные и rонимые В 30  40 х roAax нашеrо века представ- пения о дислокациях с большим трудом пробивали себе дороrу в физике твердоrо тела и прочно утвердились пожалуй, лишь в 50x rодах, KorAa самые упорные про- тивники уже не моrли отрицать их существование (TorAa они начали отрицать важность их роли). Теперь rонимые прежде дислокации поселились уже и в школь- ных учебниках физики, а это значит, что их позиции не. зыблемы. Поэтому вопрос о том, нужны они или не нужны, приобрел совсем иное звучание. Если раньше имелось в виду «нужны ЛИ физике металлов?», то сей- час  «нужны ли ме1аллу?». Этот вопрос, как и мноrие ему подобные, не имеет однозначноrо ответа, так как у проблемы, как минимум, две стороны. С одной стороны, дислокации ...... это носи- тели пластичности, а пластичность металлу необходима. С друrой, ......... дислокации несут ответственность за низ- кое сопротивление металла 'пластической деформации, за низкую прочность на сдвиr, а прочность металла тоже является ero rлавнейшей привилеrией. А поскольку дислокации изменяют и физические свойства металла, влияют на процессы разнообразных внутренних превра- щений в сплавах, на параметры диффузии в твердом со- стоянии, здесь есть еще третья сторона, четвертая и т. д. Первое и прямое следствие размножения дислокаций в ходе пластической деформации......... это знакомое всем явление наклепа металла. Наклеп выражается в том, что чем сильнее мы деформируем металл, тем больше он сопротивляется деформации, а rрафически ...... в ТОМ, что линия АВ диаrраммы о ....... 8 (рис. 13) имеет положитель- ный наклон к оси деформаций. Каждая новая порция деформации требует все большеrо напряжения. По мере развития пластическоrо течения увеличива- ется число дислокаций, покидающих метаЛJI. Они выхо- дят на поверхность формируют там ступеньки, изме- няют тем самым форму металла, в общем создают то, что мы назыаемM деформацией и измеряем при испытании 78 
образцов (при прокатке или ковке металла). Но, как u В сказке, на смену им приходят сотни друrих, деиствуlOТ источники Франка......... Рида, наполняется дислокациями весь объем деформируемоrо металла. Рост плотности v u дислокации приводит к уменьшению расстоянии между ними, они вступакл во взаимодействие друr с друrом, образуют сложные сплетения, запутанные клубки. В та- u u u кои сильно развитои дислокационнои структуре движе- ние каждой следующей дислокации все более заl'РУД- няется. " , 1 t 1"', \, '..,1 . ,\,," \' , .... \ r,. , .. , 1, . ,. , " ;..' I . , , '. . / / ., ,., 1.,/ a(",'/ I . \.-...... Рис. 46. Леrко понять, что если две одинаковые краевые дисло. кации сблизятся на межатомное расстояние, то это должно вызвать очень большие искажения решетки (рис. 46). ЕlIИ первая из них встретила какую-либо преrраду в своем движении (например, rраницу зерна) и была оста- 79 
нов.пена ею, то она буд препятствовать приближеНdЮ второй, отталкивать ее. Значит, на источник Франка ........ Рида кроме сил натяжения дислокаl{ИИ БУДf!r действо- вать встречное напряжение, и чтобы он продолжал рабо- тать, нужно увеличивать внешнее напряжение ft. { \ " \, . \', , . . ,. , - \ '1' .. , . , " , r  ,   .. . \ f " . 1',..., -. .'. .' Рис. 47. Помимо той плоскости скольжения, которая начинает действовать первой, в процесс деформации постепенно вовлекаются и друrие, ее пересекаЮlдие. Соответственно, каждая дислокация сталкивается на своем пути не только со своими прямыми сородичами, рожденными тем же источником (как на рис. 45), 60 и с друrими, располо- женными или двиrающимися под разными уrлами к ее плоскости скольжения. Она как бы продирается через лее друrих дислокаций. Металлофизики так и rОБОрЯТ ......... «дислокационный лес». Словно как в сказке, чем дальше (по оси в на рис. 13), тем rуще становится этот лес и тем труднее двиrаться нашему rерою. В конце концов способность металла к пластической деформации исчерпывается и происходит ero разруш ине. Так проявляется двойственность той роли дислока.. ПИЙ, которую они иrрают в судьбе металла, подверrну" 8) 
тoro действию возрастающеrо напряжения. Вначале .они помоrают металлу изменять форму и тем самым сохранять свою целостность в борьбе с внешней силой, но при этом потихоньку «роют ему моrилу», сами затрудняя свое дви- жение и приближая момент разрушения. С двуличием дислокаций мы еще столкнемся и в даль.. нейшем. А сейчас можно подвести некоторые итоrи, а за- v одно уже с новых позиции вернуться к нескольким вопро- calvl, KOТOpЫ мы коснулись В rл. 2. ' Итак, что значит запретить пластическую деформа- цию (с. 28)? Эrо значит создать кристалл, в котором-прак- тически нет дислокаций. Такие кристаллы  усы уже находят применение в технике. С друrой стороны, сопротивление пласт.ической дефор- мации металла можно увеличить, подверrая ero пластиче- ской деформации. Эrа фраза, возможно, HeMHoro режет слух, но в ней выражена суть явления наклепа. Ведь нам не обязательно доводить процесс деформирования до разрушения. Если мы остановим ero в точке А' диа- rpaMMbl а ........ в (рис. 13) и разrрузим образец, то при по- следующем наrружении пластическая деформация возоб- новится после юrо, как напряжение вновь достиrнет значения, соответствующеrо этой же точке А 1. Эrо озна- чает, что материал, испытавший пластическую деформа- цию, равную Воет, имеет более высокий предел упру- rости, чем исходный недеформированный материал. Вместе с тем пластичность деформированноrо материала 1еньше, чем исходноrо, потому что точка А' в ШI{але деформаций находится ближе к моменту разрушения, чем точка А. Таким образом, под влиянием пластической деформа- Ц,ии металлы становятся тверже, прочнее, но одновремен- но и более хрупкими. Это знает каждый, кто ломал ру- ками металлическую проволоку: второй раз corHYTb ее труднее, чем первый, третий переrиб требует еще боль- ших усилий и т. д. Если снижение пластичности металла допустимо по. условиям ero последующей службы, то явление наклепа используется для ero упрочнения. Осо- бенно широко применяется в технике наклеп поверхно- сти изделий, предназначенных для работы в условиях знакопеременных наrрузок, в условиях, вызывающих износ, и др. Но и здесь есть друrая сторона проблемы ---- техноло- rическая. Если нам нужно получить методами nластиче- 81 
СКОЙ деформации тонкую проволоку из толстоrо прутка, наклеп будет мешать нам сразу по двум причииам. Во- пе'рвых металл упрочняется, и по мере ero утонения будут требоваться все большие усилия. B<rвтopы,, умень- шается ero пластичность, и rде-то на промежуточиых ста- ДИЯХ процесса ПРОВOJIока начнет рваться. В этом CJlучае ДИCJIокации надо иэrнать из металла, надо вернуть ero структуру в исходное состояние, пониэить прочность, увеличить пластичность. Это достиraется путем иаrрева деформированноrо металла путем отжиrа при опреде- ленных температурах (обычно не ниже 0,4  0,5 от тем- пературы плавления по абсолюТной шкале). При таком отжиrе плотность дислокаций снова уменьшается до 106  108 см-- 2 . Процесс изrнаиия «J!1{ШНИХ» дислокаций из металла называют рекристаллизацией. В тех участках струк- туры, rде искажения, вызванные наклепом, особенно ве- JIИКИ, зарождаются новые зерна с малой плотностью дислокадий. Далее они растут, их rраницы продвиrа- ются все ,дальше, вбирая в себя или сметая иа СБоем пути накопленные при наклепе дислокации. Коrда эти новые зерна в СБоем росте сталкиваются друr с друrом, мы по- лучаем как бы новорожденную поликристаллическую структуру. Теперь МОЖНО снова деформировать металл до определенноrо предела и, если потребуется, повто- рить операцию отжиrа и т. д. А что если пластически д-еформироватъ металл сразу u u при повышеннои температуре, превышающеи темпера- туру рекристаллизации? «Какая смелая МЫСЛЬ'!»  ска- жет иронически настроенный Чl1rтель. Ведь это и есть так назьmаемая roрячая деформация металлов, которую человек использует уже тысячи лет. При rорячей дефор- мации одновременно с наклепом идет рекристалп.изация, и металл в руках кузнеца ведет себя, как iecTO в руках повара. Кузиец. однако, должен быть проворным  по мере остывания металла последствия наклепа все настой- чивей заявляют о себе. Конечно, деформация при одной и той же температуре ДЛЯ одних металлов будет rорячей, а для друrих холод- ной. Например, чистый свинец можно леrко деформиро- вать пальцами при комнатной температуре, и хотя на- ощупь он холодный, ero деформация будет rорячей (Т ИЛ == 600 К; 0,5 т ИЛ == 300 К == 27 ОС). Вольфрам же нужно буJJ1П изrреВ8ТЬ до температуры более 1500 ос 81 
('"'"" 1800 К), так как он плавится при температуре около 3700 К. Есть MHoro друrих случаев, коrда дислокации же- ланны и коrда, наоборот, нужно стараться от них изба- виться. В частности, искажая атомное строение металла, они влияют на ero электрические, маrнитные и друrие физические свойства. Увеличение плотности дислока ций приводит к улучшению некоторых из этих свойств и к ухудшению друrих. Вернемся теперь к вопросу о релаксации и внутрен- нем трении в металлах. Мы уже rоворили о том, что су- ществуют. более мощные источники рассеяния энерrии, чем те, о которых шла речь в rл. 2. Это, конечно, и есть дислокации. Если напряжения достаточно велики, чтобы сдвинуть дислокации с места, ТО внутреннее трение резко возрастает, хотя деформация еще может оставаться упру- rой. Например, если действие источника Франа  Рида остановить на стадии 2 или 3 (рис. 45), то при раз- rрузке дислокация АВ вернется в исходное положение и остаточной деформации не будет. Но кристаллическая решетка всеrДа оказывает сопротивление движению дис- локации. При скольжении дислокации, т. е. при пере- ходе ее из исходноrо положения в позицию 2 или 3, возникают силы «трения», которые и переводят часть энерrии деформации в тепло. То же самое будет происходнть, коrда напряжение изменит знак, и дис- локация будет выrибаться в друrую сторону. В ре- зультате на диаrрамме а  8 (рис. 23) появится ши- рокая петля, площадь которой и есть мера BHyтpeHHero трения. 'fi Чтобы уменьшить \нутреннее трение, обусловленное обратимым движением дислокаций, нужно уменьшить их число или в максимальной степени оrраничить их под- вижность. Наоборот, коrда требуется высокое демпфи- рование, Korдa нужно добиться быстроrо затухания коле- баний, мы стремимся к увеличению числа дислокаций и их подвижности. Между прочим, наклеп и рекристаллизация  это не едиственный способ реrулирования количества дисло- каций, а взаимодействие с друrими дислокациями.......... не единственн'!я 'причина изменения ПОДВНЖНСТИ. В неко- торых чистых металлах и 80 мноrих сплавах сущест- u вуют друrие рычаrи управления дислокационнои СТРУК- турой. и МЫ скоро с ними познакомимся. 8з 
И наконец, о влиянии дислокаций на диффузию и вообще об их взаимоотношениях с атомами примесей или леrирующих элементов в сплавах. Эrа тема заслуживает KpaTKoro, но отдельноrо разrовора.  7. Дислокации.... ловушки и дислокации ...... проводники На рис. 41 хорошо видно, как дислокация искажает кристаллическую решетку. Над плоскостью v скольжения, в зоне, rде есть один лишнии атом, межатом- ные расстояния меньше чем вдали от дислокации: это область сжатия в ядре дислокации. Под плоскостью скольжения расстояния между атмами наоборот значи- тельно больше; это  зона растяжения. Посмотрим теперь, как это отразится на поведении сплавов, Т. е. что будет, если в решетке, кроме атомов OCHoBHoro компонента, есть еще и посторонние атомы. Вообще при сплавлении разных металлов или ме- v талла с неметаллом и последующеи кристаллизации расплава образуются твердые растворы двух основных типов  замещения и внедрения. В первом случае атомы BToporo компонента замещают в узлах решетки атомы растворителя, а во втором........ коrда радиус атомов раст- BopeHHoro элемента мал  они внедряются в межузлия решетки растворителя. Пример TaKoro раствора (уrлерод в железе) мы уже рассматривали. Атомы BToporo компонента в твердом растворе так же, как и дислокации, искажают кри'сталлическую ре- шетку растворителя. Если они занимают позиции вне- дрения, т. е. располаrаются в межузлиях решетки основ- Horo компонента, то являются центрами растяжения, раздвиrают соседние атомы. В растворах замещения знаК деформации решетки зависит от соотношения размеров атомов pacTBopeHHoro элемента и растворителя. Если первые крупнее, они будут растяrивать решетку, а если наоборот, то сжимать ее. Ясно, что посторонние атомы и дислокации не будут безразличны друr к друrу. Ведь вблизи ядра дислокации есть уже rOToBble удобные места на все случаи жизни. Если атом BToporo компонента вызывает растяжение решетки, то он с rотовностью займет позицию под Kpae лишней полуплоскости, rде решетка уже растянута. Если же атом сжимает решетку, то ero законное ме.. 84 
.. сто......... с противоположнои стороны ОТ плоскости сколь- жения. В любом из этих случаев суммарная энерrия искажений решетки, вызванных присутствием в ней дислокации и постороннеrо атома, уменьшится, а это значит, что между ними существует сила упруrоrо вззи" моде й ств и я , они испытывают взаимное притяжение. . . -. ' . . . . . .'. 8. " \ . , . - \1, . , , " ... ,,, ".. . . .   ., . .' . . .. . . ,,, . 1 ' ,"- ." ... \" . . . . . .. . .. ..... ... '". Рис. 48. Дислокацию, конечно, труднее сдвинуть с места, чем примесный атом, поэтому в этой паре дислокация явля- ется rорой, а атом  MaroMeToM. «Если ropa не идет к Мзrомету, то MaroMeт идет к rope» и занимает около нее отведенное ему место. Такой процесс диффузион- Horo перемещения атомов BToporo компонента к дислока- циям приводит в конечном счете к образованию так на- зываемых атмосфер ИJiИ облаков  скоплений этих ато- мов вдоль дислокационных линий. Коrда все наиболее удобные (ближайшие к ядру) места вдоль дислскации оказываются занятыми, атмосферу считают насыщенной. Скорость насыщения определяется диффузионной под- вижностью атомов, которая в свою очередь резко (по экспоненциальному закону) зависит от температуры. Атомы примесей внедрения MorYT образовывать атмо- сферы на дислокациях даже при комнатной температуре. Например, в а-железе, содержащем уrлерод, этот про- цесс заканчивается примерно за одни сутки. B друrих растворах для образования атмосфер может потребо- ваться некоторый подоrрев. Образование облаков примесных атомов на дислока- циях имеет важные последствия. Во-первых, это при- 85 
водит к рез.ко неадноро-дному распределению BTOpOro компонента в растворе. Во-вторых'......... и это rлаВНое........... u о изменяются своиства самих дислокации, в частности, уменьшается их подвижность. ДИCJIокация, Оl<.:руженн.ая атмосферой, может двиrаться в решетке либо вместе со своей свит-ой., либо должна вырваться из неволъноrо плена. В первом случае облако примесных атомов резко уменьшает скорость дислокаций, поскольку подвижность атомов реrулируется rлавным образом температурой и определяется величиной коэффициента диффузии, а ско- u u рость дислокации зависит, в основном, от величины деи- ствующеrо напряжения. При достаточно высоких напря- жениях скорость дислокаций может приближаться к ско- рости звука в -металле..... скорости распространения упруrих волн. Даже при высоких температурах атмо- сфера не может уrнаться за такой быстрой дислокацией, но и не хочет расставаться с ней. В итоrе возникает сила U U ' притяжения между дислокациеи и не поспевающеи за ней атмосферой. Эта сила направлена против приложен- ной внешней силы. Во втором случае, коrда дислокация вынуждена пор- вать .со своим окруж-ением, и уйти вперед, на это нужно затратить дополнительную работу, преодолеть силу ее взаимодействия с атмосферой. Как видно, в любом слу- чае дислокации, «витающей В облаках», приходится не сладко  она находится в худшем положении по срав- нению с дислокациями, не обремененными атмосферами или, как их называют, «свежими» дислокациями. Теперь посмотрим на ситуацме с друrой стороны......... «rлазами» примесных .атомов. Допустим, что какая-либо сила (обычно она возникает, коrда в кристалле есть обла- сти с большим и меньшим содержанием данной примеси) заставляет их двиrаться, диффундировать по решетке в ,Qпределенном направлении (в сторону области с мень- шей концент'рацией). ЕCJlИ в этом своем движении .атомы встретят на .пути дислокацию, то она будет иrpать роль ЛОВУ,ШК,Jd. Она будет зах-ватывать движущиеся атомы, стремясь включить их в свою атмосферу. Даже еCJI'И:У нее не хватит сил пленить СТ.ранствующий атом, она 1ю край- ней M может притормозить ero движение. В диффу- зионных терминах это звучит тйК-: увеличивается время оседлой жизни атома, вБЛизи дислокации уменьшается частота ero cкaqKOB в нужном ему нап:раВJIении. Дисло- 86 
кацня как бы приrлашает путника зайти в rости и хоть иемноrо отдохнуть в удобной позе. Возможен и' друrой вариант, коrда встретившаяся атому дислокация ориентирована так, что ее ось совпа- дает с направлением ДИФФУЗИОНRоrо потока. В этом слу- чае атом, наоборот, имеет удобный канал для cBoero движения, так как в ядре дислокации есть области, rде промежутки между атомами OCHoBHoro компонента рас- ширены. Эту область облеrченной диффузии называют «дислокационной трубкой», по которой атом проскаки вает, как rоворится, «со свистом». Коэффициент диффу- зии по дислокационным трубкам составляет r-...J 10o см 2 /с (такой же порядок имеет коэффициент диффузии атомов в жидком металле), т. е. он в миллиарды раз превышает коэффициент диффузии в нормальной, неискаженной ре... шетке при не очень высоких температурах. Этот эффект сильно напоминает друrую интересную u u задачу, к решению которои причастен знаменитыи лорд Кельвин: почему следы на мокром r:eCKe в первый мо- мент сухие? Причина этоrо на первый взrляд cTpaHHoro явления в том, что ступая на мокрый песок, мы нарушаем предельно плотную упаковку песчинок, которая образо- валась в естественных условиях. При этом увеличивается объем пор, которые MorYT быть заполнены водой. Вода уходит с поверхности песка и след оказывается сухим. Так и ДИФФУНДИРУЮLЦие атомы леrко просачиваются по каналу с нарушенным порядком укладки атомов ос- новы.  8. Свеmwластичность Разобравшись в дислокаЦIfОННОМ механизме пластической. деформации металлов, мы должны теперь вернуться к самому нонятию «пластичность». Будем считать пластичным материал, который В'ыдерживает боJIЬШУЮ относительную деформацию без разрушения. При растяжении, например, мерой пла.стичности мате- риала будет величина относительноrо удлинения к мо- менту разрушения, 8 разр . Обычные технические металлы и сплавы обладают значительной пластичностью. Весьма пластичными считают такие металлы, у которых 8 разр приближается к 50 %. Это значит, что растяrиваемый образец из TaKoro металла может увеличить СБОЮ длину В .1,5 раза и лишь затем разрывается на 2 части. 87 
Свер.им приведенную цифру с нашим житейским опы.. том. Относительное удлинение наружных слоев материала при изrибе 8 == 8/2 р, rде В  толщина пластины или диаметр проволоки, а р  радиус дуrи, в которую мы хотим превратить эту пластину или проволоку (этим соотношением мы  уже поьзовались в rл. 2). Простой расчет покажет, что пластину из матери- ала, имеющеrо 8 разр ==50%, можно изоrнуть до сопри- косновения сторон (рис.49) и она при этом не слома- ,ется. Про такой материал u каждыи из нас скажет: «Да, он очень пластичен». Рис. 49. ' ...........  Обратимся вновь к диаrрамме деформации (рис. 13), BOKpyr которой развивася rлавные события в нашей книrе. Ясно, что пластичность материала  это протя- женность линии диаrраммы о e по rоризонтальной оси (за вычетом малой величины 8 упр , которой здесь можно пренебречь). На участке между Оупр и о"в пластическая деформация развивается равномерно по длине образца, все ero диаметры при удлинении уменьшася примерно в динаковой степени. Способность материала к такой равномерной деформации связана с ero наклепом. Суть явления наклепа мы уже рассмотрели в  6. Помните, «чем дальше в лес...»? По мере накопления пластической деформации 8 (или ,\,) увеличивается плот.. ность дислокаций Р (8 r-...J р), И нужно все более высокое напряжение, чтобы испускаемые источниками дислока- ции моrли «продираться через лес», который становится все более дремучим. Среднее расстояние между дислока.. 88 
пиями равно lJV р. Если принять что напряжение, необходимое для движения дислокаций, обратно про- порционально среднему расстоянию между дислокаци- ями ........ «rycToTe леса» (а "-' vp), то получится соотно- шение между напряжением и пластической деформацией (о "-' -v е) , которое приближенно описывает ход диа- rpaMMbl на интересующем нас участке. Однако диаrрамма характеризует поведение матери- ала, так сказать, в макромасштабе. В микромасштабе картина несколько сложнее. В силу неоднородности про- цесса деформации (<<работаюп лишь определенные пло- скости скольжения, а между ними остаются прослойки слабодеформированноrо материала), в силу природноЙ неоднородности структуры caMoro материала и в силу действия друrих случайных обстоятельств диаметры образца в разных ero участках MorYT несколько разли- чаться. Допустим, что в ходе пластической деформаuии какой-либо участок длины образца уменьщил площадь CBoero сечения в большей степени, чем соседний. С дав- них пор такое местное утонение материала ученые лас- ково называют «шейкой», хотя на наш Бзrляд, здесь бо- лее уместным был бы столь же научный термин <<талия». Поскольку внешняя наrрузка одинакова для всех поперечных сечений образца, напряжение в шейке больше, чем в соседнем участке, и, казалось бы, здесь процесс пластической деформации должен развиваться быстрее, и именно здесь в коние к()нцов произойдет раз- рыв образца. Но раз сечение в шейке уменьшилось силь- нее, чем в соседней части, значит в этом месте материал испытал БОльшую деформацию, плотность дислокаций возросла на большую величину, продолжение деформа- ции требует больших напряжений. Участок с шейкой более «наклепан», чем соседний, который может деформи- роваться при меньшем внешнем напряжении. Поэтому процесс деформации в области шейки приостанавлива- ется, а при дальнейшем растяжении площади сечения в разных участках выравниваются. Таким образом, на- клеп обеспечивает устойчивость процесса «пластическоrо течения» материала. К сожалению, способность материала к наклепу, к упрочнению в ходе пластической деформации, как мы уже знаем, постепенно исчерпывается. На это указы- Вает и сам вид зависимости а r'-I V 8. Каждая новая 89 
«порция» деформации требует все меншеrо ирироста напряжения, уrол наклона линии диаrраммы к оси 8 становится все меньше и меньше. Это означает уменьше- ние пластичности материала....... приближается момент ero разрушения. Действительно, если теперь в KaKOMTO. участке образ-ца появится шейка, то материалу уже не- чем компенсировать рост напряжения, обусловленный уменьшением площади этоrо сечения. Процесс равномер.. Horo удлинения образца прекращается, и ОН деформиру- ется теперь только в области шейки. Образец еще неко- торое время удлиняется (линия диаrраммы продолжа- ется за точку В), но ЭТО удлинение происходит лишь за счет Toro, что диаметр шейки быстро уменьшается. Вскоре образец разделяется на 2 части. ...,- , ' '1",.. " ... '''-'' " .. · ,,(, ':....., '" · \ ", \ " ',. ,1 '\ - {' ...  .. "" , .. ....." , .. . I . Рис. 50. Итак, мы снова, кажется, в безвыходном положении. Устойчивость «течения» материала обусловлена ero спо- собностью к наклепу, но в кристаллических телах (ме- таллах) плотность дислокаций вблизи точки В диаrраммы деформации приближается к предельным значениям р == 1 ()l CM2. МЫ уже знаем) что при такой плотности 90 
, дислокаций среднее расстояние между НИМИ BCerO в 1 О раз оольше межатомноrо расстояния в решетке. Поскольку область СИJlЬНЫХ искажений кристаллической решетки около линии дислокации простирается на несколько меж- u атомных расстоянии, начинают перекрываться ядра со- едних дислокаций. Здесь уже теряет смысл само поня- v тие кристаллическои решетки  все атомы довольно еильно смеrцеиы относительно своих нормальных поло- v женин: дислокации в таком «кристалле» размножаться и двиrаться уже не MorYT. Правильный порядок во вза- имном расположении атомов настолько нарушен, что наш «перенаклепанный» ,материал теперь больше похож на аморфное тело. С друrой стороны, тесное сближение дислокаций способствует образованию разрывов, тре- щин (рис. 46), т. е. очаrов разрушения. Но минутку внимания! Слова «аморфное тело» наво- дят на некоторые размышления. Вспомним, как леrко превратить в длинную тонкую нить кусочек смолы, ка- хие тонкостенные сосуды можно выдувать из разоrре- \ Toro стекла. Аморфные вещества способны к orpoMHbIM равномерным деформациям, процесс их течения очень устойчив, а никакоrо наклепа при этом нет. Почему же в этом случае появление первой же шейки не вызывает прекращение деформации в остальных участках растяrи- Baeмoro образца и ero быстрое разрушение? При взаимном смещении слоев rаза или жидкости возникает сила сопротивления, обусловленная вязкостью этих веществ и пропорциональная скорости смещения слоев. Сопротивление деформации аморфных твердых тел и обычных кристаллических металлов тоже зависит от скорости деформации. a зависимость описывается формулой: ( Ае ) т (] == к I1t · Здесь о........ это внешнее напряжение, которое вызывает течение тела, К........ константа, коэффициент пропорцио- нальноети, e  приращение относительной деформа- ции за промежуток времени t, т. е. выражение в скоб- ках ........ это скорость деформации. Показатель степени т называют показателем скоростной чувствительности. Он является мерой чувствительности сопротивления дефор- мации к изменению скорости деформации. 91 
Разница в поведении аморфных и кристаллических веществ при деформации связана с величиной показа. теля т. Обычно у металлов этот показатель rораздо меньше единицы, Т. е. напряжение, вызывающее их те- чение, почти не зависит от скорости деформации. А вот у смолы или Harpeтoro стекла он близок или равен еди- нице. Как же зависит характер процесса пластическоrо те- чения материала от величины показателя т? Отметим, что этот процесс в большинстве случаев развивается при постоянной корости деформирования. Например, при растяжении образца в испытательной машине ее подвижный захват (рис. 12) обычно перемеща- ется равномерно *) с помощью электродвиrателя. При появлении шейки напряжение в ЭТОI\f участке образца увеличивается, а остальные участки перестают деформ- роваться. Это значит, что обязанность увеличиваrь длину образца (в соответствии с неумолимо растущим рассто- янием между захватами машины) берут на себя не все ero участки, которые до этоrо дружно работали, а только небольшой, «брошенный в беде» участок в области шейки. {:корость деформации в этом объеме образца зна- чительно возрастает, так как изменение расстояния между захватами l достиrается за счет удлинения ма- лоrо участка длины. Рост скорости деформации в соот- ветствии с приведенной выше формулой ведет к увели- чению напряжения, необходимоrо для продолжения те- чения. Чем выше показатель т, тем больше, требуемый прирост О, и при достаточно высоких значениях т уже становится леrче вовлечь в процесс течения друrие участки с большей площадью сечения, чем продолжать деформировать тонкую, но «упрямую» шейку. Так шейка переходит на соседний участок длины образца, rде ситуа- ция повторяется и т. ,д. Получается, что шейка «беrает» вдоль оси образца, как бы выискивая слабые места. *) Вообще rоворя, здесь требуется некоторое уточнение. При по... стоянной скорости движения захвата скорость деформации Ав/ At в ходе растяжения постепенно уменьшается. Если разбить процесс накопления относительноrо удлинения в == !!l/lo на ряд этапов, то одинаковый прирост длины Аl в каждом следующем этапе надо будет относить к все большей исходной (для данноrо этапа) ДЛине lCJ. В связи с этим либо пр иходится мириться С некоторым непостоянством ско- рости деформирования в обычных испытаниях на растяжение, либо применять специальные приемы для поддержания ее cTporo ПОСТОЯН- ной. 92 
Но если показатель т имеет достаточную величину (опыт показал, что он должен быть не меньше O,3), шейка ниrде не может найти окончательноrо приста- нища. Беrающая шейка «выrлаживает» образец по всей ero длине, процесс течения в макромасштабе остается равномерным. Теперь дело за малым. Остается найти такие металлы или сплавы и такие условия их обработки, чтобы они обладали высокой скоростной чувствительностью сопро- тивления деформации, имели высокие значения т. Ведь в обычных vсловиях деформации металлов величина т имеет порядок 10--2, и рассмотрен- ный выше механизм не действует. Как это часто случается, люди сначала сталкиваются с каким-либо явлением, затем разбираются в ero причинах, а уже потом (в книжках) описывают все это в обратном хро- нолоrическом порядке. Не будем нарушать эту традицию. ..... \ I  "t.l , :, , , ',.. \' ( I " -' · \ · I ,. " , · ..' '" ", ... ... . .. , I \ \ · \" .. , · ,,..... \.' L'   \ .. .. ", ,,\ с' ".., '. ." "... ., '" , :... ., ..,. ...  ' Рис. 51. в 1934 f. преподаватель металлурrии анrлийскоrо Армстронr-колледжа с. Пирсон опубликовал статью с от- четом о результатах испытаний образцов из сплавов свинца с оловом и висмута с оловом. Он обнаружил ано- мально высокую пластичность этих сплавов (рис. 51). Образцы при растяжении можно было удлинить в 20 разl На это сообщение не последовало никакой реакции, и ра- бота с. Пирсона вскоре была забыта. Второе рождение сверхпластичности относится к 1945 r., коrда советские ученые А. А. Бочвар и 3. А. Сви- дерсая обнаружили необычное поведение сплавов цинка 93 
с алюминием. При h-еболЬillОМ подоrреве эти сплавы u становились чрезвычаино мяrкими и давали orpOMHble остаточные деформации. Академик А. А. Бочвар пер- вым предложил сам термин «сверхпластичность», кота.. рый в дальнйшем стал общепринятым, и указал на су- щественные черты явления. В частности, в ero опреде- лении понятия сверхпластичности подчеркивается не только способность сплавов к большим деформациям. но и то, что сопротивление деформации сплава в этом состоянии очень мало. Твердость сплава цинка с алюми- нием была в несколько раз ниже твердости caMoro мяr- Koro из компонентов. . В последующие rоды исследования в области сверх- пластичности получили бурное развитие. Были lf.a -hf мноrие десятки сплавов, которые можно 1OI:p.eB.aTh на сотни и тысячи процентов (1) при H мальr.х: напряжениях порядка 1  10 МПа (!). Д&QН ' ВШIeИИ" лось, что сверхпластичность не являеТf:]t lIpRВИ.JIeFиd: каких-то особых сплавов, а практически пro60A мe1iUJf или сплав может быть переведен в сверхп.тrзстичн.ое со- стояние. Для этоrо, конечно, необходимо соблюдение целоrо ряда условий. Во-первых, металл или сплав должен иметь мелкие зерна.......... не более 10 мкм В поперечнике и чем мельче, тем лучше. Во-вторых, температура деформации должна быть достаточно высокой  обычно не ниже 0,5 Т ИЛ . В-третьих, скорость деформации должна находиться в определенных пределах......... обычно 10--6 + tо-- з про- центов в секунду. Рассмотрим смысл этих требований в связи с извест- ными в настоящее время особенностями механизма сверхпластической деформации металлов. В этом про- цессе важная роль, несомненно, принадлежит так назы- ваемому зерноrраничному скольжению. ПР'И сверхпла.. стическом течеНИИ t в отличие от обычной пластической деформации (рис. 38), зерна не вытяrиваются в направ- лении действия напряжения, а остаются круrлыми. Но при этом они MorYT менять своих соседей, так что в КО.. нчном счете число зерен (а не- И'Х размер) в поперечном сечении образ-ца уменьшается, а в направлении оси ..... увеличивается. Они как бы перекатываются друr по Apyry наподобие песчинок или rальки, хотя сиуация в металле, конечно, rор'аэдо сложнее. Ясно, однако, что чем более развита межзеренная поверхность, Т. е. чем 94 
мельче зерна, тем леrче реализуется ЭТОТ своеобразный механизм деформации. у каждоrо зерна в поликристалле более десятка сосе- дей, а форма зерен далека от правильной шарообразной, хотя мы и назвали их круrлыми. Шарами, как мы пом- ним, даже при самой плотной их упаковке МОЖНО занять лишь 74 % объема. Зерна на самом деле имеют -форму :мноrоrранников и при их взаимных перемещениях и по- воротах около rpаниц должны обраЗQвываться зазоры. Рис. 52. Эти поры являются очаrами разрушения, из них выра- стают трещины, которые MorYT разорвать образец. Но этоrо не происходит, и процесс течени"я спокойно разви- вается. Значит, одновременно с зерноrраничным сколь- жением ДОЛЖНЫ срабатывать и какиеJ1ибо механизмы «залечивания» очаrов разрушен.ия, что впервыe было отмечено А. А. Бочваром еще в 1945 r. Залечивание, ИтI «взаимное приспособление», зерен может быть обеспе- чено и обычной Аислокационной деформацией, и так на- зываемым диффузионным массопереносом. Последние два 95 
процесса выполняют не только вспомоrательные ФУНК- ции (залечивание пустот), но MorYT служить и самосто- ятельными механизмами деформации металла в состоя- нии сверхпластичности. О том, как движение дислокаций приводит к деформа- uии кристалла, мы уже rоворили. Поэтому здесь обсу- дим в общих чертах только диффузионный массоперенос. В этом процессе участвуют вакансии  незанятые узлы решетки. В соответствии с принuипом Ле Шателье в рас- тянутых участках решетки вакансии образуклся леrче, чем в неискаженной решетке. Дело в том, что появление вакансии приводит к сближению атомов, окружающих незанятый узел, т. е. как бы снимает локальное напряжение в растянутой решетке. Таким образом металл сопротивляется внешнему воздействию. В сжа- тых областях образование ва- кантных мест, наоборот, невы- rодно. Таким образом, в областях растяжения концентрация ва- кансий будет выше нормы, а в сжатых участках ......... ниже. Воз- u викающии вследствие этоrо по- u u ток вакансии, направленныи на выравнивание их концентраuии соответствует встречному по- току атомов: в местах, откуда уходят вакансии, увеличивается число атомов и наобо- рот (стрелками показано направление движения атомов от сжатых участков к растянутым  рис. 53). Как видно, этот механизм сам по себе работает в нужном нам на- правлении. Он же может обеспечивать (самостоятельно или вместе с дислокационным скольжением) ликвидацию зазоров у rраниц (рис. 54). На этом же рисунке видно, как зерна меняют своих соседей  зерна 1 и 3 вошли в соприкосновение, а зерна 2 и 4, наоборот, теперь не имеют общей rраницы. Видно также, что число зерен в направлении растяжения в результате TaKoro процесса будет увеличиваться, а в поперечных направлениях........ ' уменьшаться. Поскольку и скольжение дислокаций и образование вакансий омеrчаются с ростом темпера- туры, становится понятным смысл BToporo условия (Т" еФ  O,5T II4 ). Мы уже знаем, что понятие низкой или 96 t I I I 1.-- I I 1 I Рис. 53. 
высокой температуры для даннorо металла обычно имеfОТ смысл в сопоставлении с ero температурой плавлени. Именно поэтому леrкоплавкие сплавы с. Пирсона прояв'" ляли сверхпластичность при комнатной температуре, которая была для них достаточно высокой, А. А. Боч.. вару потребовалось подоrреватъ свои сплавы до 150 200 ос, а для пеВ9Д В. сверхпластичное состояние, ска- жем, титановых сплавов, нужны температуры около 1000 ос. t I а) б) в) Рис. 54. Что касается TpeTbero условия проявления сверх.. пластчности, ТО нам поможет самый общий, по существу даже формальный, П8ДХоД к явлению. Если деформацин u развивается с постояннои скоростью при низком и практически постоянном напряжении, то мы можем пред- ставить себе это как результат равновесия процессов упрочнения и разупрочнения материала. Упрочнение увеличивает напряжение, необходимое для продqлжения течения, а разупрочнение снижает ero, и в итоrе оно оста. ется постоянным. Упрочнение связано с необходимостыо обеспечить взаимные повороты' и перемещение зерен, действие дислокационных 'источников, образование в а.. кансий и Т. д. Разупрочнение ...... с исчезновением дисло.. каций на rраНи.цах зерен, с движением диффузионных потоков, выравнивающих концентрацию вакансий и тем самым снимающих перенапряжение в различных объе.. lv1ax материала. Для реализации всех этих процессов требуется определенное время (кстати, тем меньшее. чем меньше расстояния между rраницами зерен). Прu очень Аfалых скоростях деформации для проте- кания разупрочняющих процессов времени всеrда доста... 10ЧНО, а при слишком Высоких....... наоборот, всеrда не 4 Н. А. ЗаЙМQвскиА. Т. л. I(олупзева 97 
хватает. Равновесие возможно в некотором промеЖУТQЧ- 110М интервале скоростей деформации, но ero ДОВОЛЬНО леrко. нарушить. Стоит увеличить скорости, KaK упроч.. ление начинает преобладать над разупрочнением, и тре.. буемое для дальнейшей деформации напряжение резко Еозрастает. Именно 8 ЭТОМ интервале скоростей мате- риал: обнаруживает. высокую скоростную чувствитель- ность течения. ЗнаJIение, т становится аыше 0,3 (иноrда tп достиrает 0'8...........0'85)' что и является признаком пере.. хода материала в сверхплаСIичное состояние. Рис. 55. Таким образом, выяснилось, ЧТt) показатель скорост- ной чувствительности сам зависит от скорости деформа.,. I\ИИ и достиrает максимума' в указанном выше интер- вале скоростей. Рис. 56. к сожалению, все три условия сверхпластичности за- трУДНЯЮТ практическ-ое использование этоrо эамечатель- Horo ЯВJlения. Не BcerAa nerKO получить достаточно мел- 98 
козернистую структуру материала. Для поддержания заданной теf.fпературы процесса требуется подоrревае.. мый дефорАШРУЮЩИЙ инструмент, так как в силу третЬ- ero условия сам процесс занимает значительное время. Рис. 51. Даже самая высокая скорость деформации, при I(ОТОРОЙ еще реализуется сверхплаСТИЧIlОСТЬ (103 процентов в се- кунду), rораздо ниже обычных скоростей, используемых в практике деформации металлов. Однаl{О и вопросы производительности, и друrие технические вопросы, свя- занные с использованием сверхпластичности, в ПРlIнципе разрешимыI' а преиущества здесь очевидны: из ,металла З8 одну операl(ИЮ можно (выдувать» такие же ажурные изделия, как из стекла или пластмасс. Рис. 55 иллюстри- рует возможности метаЛJIа в сверхпластичном состоянии. Лист из «бочваровскоrо» сплава толщиной 0,03 мм под действием давления rаза выдувается в полную сферу диаметром чуть более 100 ММ. Не правда ли ........ неплохой «мыльный пузырь». На рис. 56 показана деталь обор у до.. вания ,кабины самолета «Кон корд», изrотовленная за один прием из Toro же сплава. Ранее такие детали де- лали из пластмаСС t НО требования противопожарноЙ безопасности заставили инженеров вновь обратиться к металлу, который оказывается способен и на такое. А это изделие (рис. 57) получено в Московском инсти.. туте стали и сплавов. Снимок, вероятно, в комментариях не нуждается. 4* 99 
Способность металлов в сверхпластнчном,СОСТОЯНИИ деформироваться без разрушения, по.видимому, не orpa- ниченз. после Toro как в лаБQра-'IОРИЯХ были получены относительные удлинения до 5000 % (50-кратное увели- чение длины), поrоня за рекордами прекратилась. Orpa- ниче!lИЯ здесь носят уже чисто технический характер ....... РИС. 58. lle хватает ДЛИНЫ печей (если сплав- неоходимо Harpe.. вать), не хватает расстояния между стенами комнаты или потолком и ПОЛОМ. А металл МОЕ бы течь и дальшеl 
rЛАВА 4 . L 4. .J МЕХАНИЧЕСКАЯ, ПАМЯТЬ МЕТАЛЛОВ- Явления живой инеживой ПРКРОДЫ на.. СТОЛЬJ{О мноrообраЗНJ:1I и так тесно переплетены друr с др у- rOl.f, что стодкuувшись С чем-т новым 'В неорrаническ-ом мире, мы неВОЛЬИО,.}fщем аfiалorию с уже известныи проявлениями жизнедеятельности человека. ЭТо стрем- ление отражается и на научной .терминолоrии. ТаКие -... i u термины, как «время жизни» ИЛИ даже «время ОСДJlОИ жизни» (применительно к часmцам), как «живучест». «усталость) (применительно к коцструкционным матери.... элам)  считаются вполне строrими и стали общепринй:' тыми, наряду с сотнями друrих, им подобных в этом смысле. Открытое сравнительно недавно новое СВ,ОЙСТВQ металлических сплавов в силу этих же причин получило название «память формы». MorYT ли металлы вспоми. нать, помнить, забывать? f 1. Металл запоминает форму Мы уже прибеrали к Этим терминам, коrда обсуждали обычные процессы упруrой и пластической де.. формации. Речь идет о запоминании метаЛЛО1 той исход" НОЙ формы, которую он имел ДО деформации. Если величи- фа u ( мака на де рмации не выходит за пределы упруrои зоны 8 упр на РИС. 13), ТО после разrрузки размеры тела возвраща- ются к ИСХОДНЫl\I, а ero форма восстанавливается (изоr. нутое лезвие распряrvЫIяется). Именно в этом смысл было сказано, что мета,,1Л помнит исходную ФОРМУ, нахо. дясь под любыtI напряжением, не превышающим пре- дела упруrости. Такая память металла имеет два важ.. ных недостатка. Во-первых, ее «объем» мал: она хорошо работает ТОЛЬКО при небольших отклонениях от первоначальной формы, коrда дефОРl\1ации измеряются ДОЛЯМИ процента. 101 
}-lаши же читатели леrко ВСПО1НЯТ (а если нет...... вер- нутся к с. 30), что при 'деформации около 10 % поведе- llие металла уже характеризуется практически полной забывчивостью (рис. 17). Значение даже такой «куцей» памяти металлов чрез- вычайно велико. Достаточно сказать, что не будь ее, не работала бы ни одна пружина. Кроме Toro, есть способ увеличить объем памяти. Такую возможность дают сплавы, обладающие сверхупруrостью, с которой мы познакомились в rл. 2. ВТОРОЙ, недостаток свойствен и «упруrой» И да)f{е v v «сверхуnpуrои» памяти........ он заложен в самон их при- роде. Чтобы поня:rь ero суть, можно снова обратиться к человеческой памяти. Ученые, которые занимаются u ее исследованием, опредеяют память как сложныи про- цесс, включающий фазы запечатления, хранения и извле- чения информации. Если проводить условную аналоrИIО :между памятью человека и металла, то надо считать, ЧТ9 фаза хранения у последнеrо реализуется только пqд наrрузкой. Стоит устранить внешнюю силу, как немед- Jlеино и неотвратимо наступит фаза извлечения .«инфор.- мации» о первоначальной форме тела. Как мы скоро убе- ДИМСЯ, технически это очень неудобно. rораздо Ifнтер- He. иметь дело с металлом, обладающи полноценной памятью, коrда фазы хранения и извлечения незаВИСИl\1Ы и коrда хранение не связано с участием посторон- них сил. . Здесь мы можем HeMHoro забежать вперед и обрадо- вать читателя сообщением о том, что уалось получить сплавы' имеющие имнно такую замечательную память. Они MorYT хранить исходную ФОРМУ в своей амяти очень долrо, а вспоминают ее при HarpeBe, так что в наших си- v лах «взывать К памяти» металла в тот момент и в тои обстановке, коrда это нам потребуется., ' Мы рассмотрим вначале внешние проявления эффекта ' запоминания формы, поrоворим HeMHoro об истории во- проса и обсудим те удивительные возможности, которые открывает практическое использование этоrо необычноrо v своиства. Анализу механизма памяти БУД(!f. посвящен отдель- ный параrраф, в котором МЫ выясним заодно и при.. чи:hы сверхупруrости, поскольку память формы и сверх.. упруrость ....... это две стороны одноrо и Toro же явления. Поэтому и предельный объем памяти, т. е. величина 102 
деформации: которая исчезает при HarpeBe, достиrает тех же значений (8 ==: 10......... 15 ), что и в случае сверхупру- rости.  2. Удивительный бараниi por' Вспомним при мер с пластиной ТОЛЩИНОЙ 2 ММ, изоrнутой по радиусу 10 мм (с. 30). Деформация ее наружных слоев составляет 10 %. Эro уже ДОВОЛЬНО большая деформация, при которой обычный металл почти не помнит исходную ФОРМУ: упруrая часть дефоРl\lацин почти в 20 раз меньше пластической, и концы полу кольца лишь чуть,,;чуть расходятся в стороны пр и раз.. rрузке. Коrда rоворят: «corHYTb в бараний por», имеют в виду именно такие, большие деформации, при которых упру.. rой составляющей уже можно пренебречь из-за ее мало- сти. Между строк этоrо решительцоrо выражения можно прочитать: «уже не разоrнешься». Действительно, чтобы устранить последствия пластической деформации и вер.. нуть тело к исходной форме, 'необходимо принудительно пластически деформировать ero в противоположном на.. правлеНИIf. Значит, нужно новое силовое воздействие на металл, надо создать в нем напряжение обратноrо знака......... разrибать por силой. Если же HarpeBaTb пла- стически деформированный металл, то форма ero оста. u ется прежнеи........ нет никаких причин для уменьшения или роста величины остаточной деформации. Теперь проделаем Все то же самое с материалом, обла- дающим способностью запоминать форму. При натреве TaKoro материала мы становимся свидетелями малень... Koro чуда: пластина (или por) распрямляется и точно воспроизводит СБОЮ прежнюю форму. Посмотрим, как выrлядит эта картина на «языке Дна- rpaMMbl деформации» (рис. 59), к которой добавим третью переменную ......... температуру. При HarpeBe растянутоrо образца обычноro металла остаточная деформация не меняется, и соответствующая линия на roризонта.льной плоскости диаrраммы идет параJlЛельно ОСВ температур. Такой же образец из сплава, заi10минающеrо форму t при температуре Т 1 начинает укорачиваться, а при Т, остаточная деформация уменьшается до нуля: , Интервал температур Т 1  Т'},' в котором происходит «вспоминание» ИСХОДНОЙ формы, составляет Bcero не- 103 
. сколько десятков rрадусов (иноrда ОН даже уже н иэме- ряет.ся единиuами rраДУСОВ)t а ero положение на ,темле- ратурной шкале можно реrулировать. Так можно соз- даrь условия, коrда мы изменяем форму сплава при ком..  u натнои температуре, а возвращение ero к первоначальнои форме происходит в чуть подоrретой воде. В результате опыт становится очень наrлядным, и на человека, не эва.. HOMoro с особыми свойствами таких сплавов, он всеrJlЗ nроизводит ошеломляющее впечатление. Зрителю ведь .,0 е ост = 10% I I I " I I I I I / 7, / 1-.....--------- t "( / / /. / / / , Рис. 59. неизвестно, какую форму имела прежде, 'скажем, вы- прямленная тонкая НРОВОЛОЧК8, какую «информацию храниn она в своей памяти. Можно представить- себе ero удивление, коrда в блюдце с теплой водой она 'вдруr на- чинает шевелиться, как живое существо, ПРИЧУДJJИВО t1зrибается и в конце концов воспроизводит, например, контуры ero COOCTBeHHoro профиля, и'ли очертания ero собственной подписи, или какой-либо рисунок (рис. 60). . . Эффект запоминания формы, КОТОРЫЙ' мы далее бу- дем сокращенно именовать ЭЗФ) конечно, позволяет не '104 
&ЛЬН6  ПОИ33В1вать  подобные фокусьi. Er6 ие-tJОЛhзуюt и в более серьезных делах, и даже в очень серьезных. Но посмотрим, каковы предельные возможности ЭЗФ. . мы не случайно сказали: «тонкая проволочкз», И на ри'с. 60 ВИДНО, что она действительно тонкая; Почему это важно? Дело в том, что восстановление формы будет полным только тоrдз, коrда при ее изменении не превы" шема некоторая определенная велкчltна. деформации. Для:разных сплавов- эта максимально допустимая дфор-  Рис. o. , мация (объем памя,ти) имеет разную величину, но обычно сна не.иревыщзет 10 %. Деформировать сплав, проявля" ющий ЭЗФ, более чем на ]0 %  это значит переrру.. зить даже ero моrучую память. В этом случае при HarpeBe ОН не. полностью вернется к исходной форме. Появятся остаточные изменения размеров тела, приблизителъно соответствующие избыточной (сверх 1 О %) деформации. . Теперь читатель должен перевести сВою собственную память. в режим «извлечения информации» о деформиро- ')05 
ванин изrибом провоnок или пластин разной толщины. Если величина относительной деформации задана. 'lU более тонкая ПрОВQлока допускает изrибы по меньшему радиусу И, в отведенных пределах. может хорошо заПО1'tl нить более ПРИЧУД,JII1ВУIО форму.   3. Самоуправство или хитрость? ВСПО1ttНИМ и еще одну деталь, каС8ЮЩУЮСЯ деформации изrибом, а именно то, что при ЭТОМ ОДНИ. слои tt1атериала растянуты, а друrие сжаты. Здесь мы подошли к следующей, обещанной в rJl. 2, неожиданности. l-1зоrнутая ПРОВО.пока при HarpeBe распрямляется И.,1II1, наоборот, выпрямленная изrибаетс" Сейчас нам не- важно, какую ФОРА1У мы заложили в ее Qамять, а важно, что в любом случае в процессе «вспоминания» происходит JJзrибная деформация. Значит, растянутые ранее слои проволоки при нзrреве сжимаются, а сжатые...... растя- rиваются. ниманиеf Вслушаемся в первую часть фразы: «слои... при HarpeBe сжимаются». Металлический сплав 1\10жет сжиматься при HarpeBe!!! А как же быть с весьма универсальным правилом «тела при наrревании расши- ряются»? . Слов нет, способность запоминать форму  это уди.. вительное свойство, но совсем не подчиняться общим законам ПРИ рОДЫ было бы явным самоуправством даже со стороны таких уникальных сплавов. Они, конечно, не отменяют термическое расширение, но застаВЛЯIОТ более внимательно отнестись к этому явлению. Действи.. тельно, терм:ическое расширение обусловлено увеличе- нием расстояний между атомами, что вызывает рост объ- ема тела при повышении температуры. Мы просто при- выкли к тому, ЧТО этот рост объема тела складывается из увеличения всех трех ero размеров, что удлинение при HarpeBe обычно происходит в равной степеI1И по всем трем осям *). Именно поэтому в справочниках "риво.. дятся коэффициенты «линеЙ1!оrо» термическоrо расшире- НИЯ, выржающие оmосительное удлинение по любой из осей на каждый rрадус повышения температуры. Для металлов они и меют порядок 10---'...... Icr6K1. это зна.. *) Это относится ВО всяком случае к так называемым изотроп ным телам, у которых свойства одинаковы по всем направлениям. Лримером изотропноrо тела может служить любой поликристалли... ческий металл, состоящий из множества зерен (МоНоКристал10В). случайным образом ориентированных Apyr относительно APYl(t. 106' 
чит_ что при увеличении те!vlпературы, например, на 10 rрадусов относительное удлинение металлическоrо тела в любом направлении составляет 1 o .......... 1 05 ИЛИ ]O2  IОЗ. %.. Сплавы, обладающие цамятью, как и все друrие, ис- пытывают термическое расширение, т. е. увеличивают объем *) при паrреве. Однако в температурном интер- вале «вспоминания» формы изменения линейных раЗlе- _ ров в разных направлениях MorYT различаться и вели- чиной и знаком. Если мы растяrивали образец, то он удлинялся В осевом направлении, но СJКимался в двух друrих". Вспоминая при Harpeвe исходную форму, он бу- дет сжиматься вдоль оси, а диаметр ero увеличится, причем в относительном выражении деформация растя- )кния будет чуть больше, так что- объем образца в це- лом возрастет именно на ту' величину, которая соответ- ствует изменению ero температуры. СtЩИ же изменения линейных р.азмеров при этом достиrают 10 %, т. е. при- мерно на 34 порядка (1) превышают те, на которые способен обычный металл при таком же изменении Te!vl" пературы (на те e' 10 rрадусов). Если мы сжимаем цилиндрическиЙ образец вдоль оси, то в yx друrих измерениях он увеличивается в 'раз.. :мерах, а при «вспоминании» все изменения пойдут в об- ратном порядке. Теперь уже материал, обладающий па.. мятью, будет сжиматься при lIarpeBe в двух направле- ниях, а в третьем, конечно, растяrиваться. И только в rлавном вопросе прирда не позволяет себя перехитрить: даже сплавы, проявляющие ЭЗФ, не MorYT при HarpeBe сжиматься -сразу по всем трем ОСЯ1, так как это привеТIО бы к уменьшению объема. Но уже то, что эти сплавы MorYT сжиматься при HarpeBe в од- ном и даже в двух направлениях имеет неоценимое прак- тическое значение.  4. Сплав способен на самоубийство?! Раз уж мы черпаем научные термины из орrаническоrо Аfира, то, призвав на ПОIОЩЬ воображение, lvfожем назвать убийством металлическоrо образца ero испытание, ДOB дeHHoe до разрушения. Вспомним хотя *) Здесь имеется в виду чисто термическое увеличение объема я не рассматривается изменение объема сплава за счет тoro внутрен'! liero }Iревр.ащения. которое ответствецно за ЭЗФ. ' Ql 
бы злобноrо Прокруста. А теперь посмотрим, что про.. изойдет t если мы будем мешать дефОрмироваННQМУ сnлаYJ}t восета'Н8вJiИВ8ТЬ при: иаrреве ero первонqальную ФОРМ'У: ПОНЯТltО,'ЧТО в нем возникнут напряжения, он будет-ста... .рться 'устранить riрепятствие мешающее ему верпутьсsi к прежним размерам. : !,  Как-То в поридке шутки мы предложили' своему недо.. верчивому приятелю надеть на 'naJIen колечко, csepHyroe ,ИЗ ТОНКОЙ 'пластинки (пластинка была IIзrотовлена' 'из  \ " . , \. . '. :  i , . .' ! " ..  .... . ... Рис. 61. сriл'ава, запоминающеr<> форму). 'Колечко предваритеЛьно' расширипи; а в йсходнм состоянии оно также имело форму кольца, но несолько меньшеrо диаметра. Сп-в' был подобран так, чrобы температура начала «вспоми.на- ния» Qыла около 30 ос, так что при комнатной темпер'а.. туре ero память находила<;ь в .фазе «хранения информа:' ции». Сначала поведение нашеrо прителя было обыч HM, но' кольцо постеf!енн наrревалоСь теплом ero Tea" и вскоре он стал заметно нервничать, все чаще поrляды... вая на СБОЮ РУКУ., В KOH кониов о:н запросил пощадьi, и. спОсо спати ero, быстро. нашес; . надо было прото подс!авить Qалец под струю холоднои воды. ПОС!Iе .этоrо 108. 
давление кольца ослабло и ero можно было снять с пальца. А уж OТOM МЫ объяснили ему, что процесс вос- становления формы еще только начинался, и в интервале С?Т 30 до 37 ос была реализована лишь часть возможноrо усилия. НаПРЯ1l.<ения, которые развивает сплав, если ему ме-. щают вспоминать исходную форму, MorYT достиrать 1000 МПа, что .равносильно давлению в 10 000 ати.. Рис. 62. Поэтому сплав, запоминающий форму, может Не 'tОЛЬКО причинять боль, но и совершать полезную работу при Marpese. Простейшая схема двиrателя........ стержень из v T8Koro сплава, жестко эакрепленныи одним концом , (рис. 63). Изоrнув ero (в пределах допустимой деформа- ции), подвешиваем rруз и HarpeBaeM деформированный участок стержня. Возвращаясь к исходной .прямолиней.. ной форме, стержнь поднимает rруз. Заметим, что в этом двиrателе нет обычноrо для тепловой машины rазообраз- Horo срабочеrо тела». Масса rруза, который может поднять стержень из нашеrо сплава, конечно,. оrраничена: как и обычные , «заБЫВЧИВhlе» металлы, сплав имеет предел упруrости 109 
и предел прочности, Т. е. при определенных напряжр.. ниях ОН будет пластически деформироваться и далее раз.. рушаться. Сплаву в этом смысле безразлично, наrружаем u ли мы ero в разрывнои машине или так, как на рисунке, хотя в этом случае мы можем условно принять, что стер.. жень наrружает себя сам (если отвлечься от Toro, что мы все же участвуем в этом, подводя к деформирован- ному участку тепло). N1I\f'At\I':('r8"Ar.."'VAVAPi I 6 ' \IIH,      -:-  _\ ., 2  .. . Рис. 63. Если масса rруэа такова, что необходимое ДЛЯ ero подъема напряжение не превышает предела упруrости сплава, то стержень распрямится полностью. В положе.. нии 3 мы зафиксируем лишь небольшой упруrий проrиб стер1КНЯ, величину Koтoporo леrко рассчитать по закону rYKa. Наращивая rруз, мы как бы требуем, чтобы сплав развивал все более и более высокое напряжение. Насту- пает момент, коrда ОН уже не в силах ПОДНИI\lать rирю, 110 
:1 ЭТО значит, что ПОД действие1 возникающих в стержне напряжений ПРОИСХОДИТ обычная «дислокационная» пла.. стическая деформация. В,ся та деформация, которая 1\iOr ла бы исчезнуть при возвращении к прежней форме, превращается в остаточную. Стержень забывает исход.. НУЮ прямолинейную форму и принимает новую......... изоr- нутую. Именно она отпечатается теперь в ero памяти, и если после охлаждения мы снимем rруз и распрямим стержень. то при послеДующем HarpeBe он будет возвра- щаться к своей новой форме 2. - Нередки случаи, коrда в силу определенных причин (см. rл. 5) резко оrраничивается способность металлов 'к пластической деформации, они становятся хрупкими. Хрупкий металл разрушается без заметной остаточной деформации при напряжениях, не превышающих предела упруrости. Если привести в такое состояние сплав, из KOToporo изrотовлен стержень, то, начав поднимать rpy3, ОН в какой"то момент развалится на куски. Как мы -уже доrоворились, СП..ТIав сам наrружал себя' (мы только под- водили тепло), поэтому этот ero поступок можно считать самоубийством. Стержень покончил с собой, мучительно вспоминая свою прежнюю форму и пытаясь поднять не.. u посильныи rруз.  5. Пророки древние н современные Американский ученый, доктор Симон, заии.. мающийся. применением сплавов с памятью формы в ме.. дицине, СЧИтает, что это свойство БЫJlО известно еще в биб- лейские времена. Соrласно библейской леrенде rосподь однажды приказал пророку Моисею бросить на землю жезл, который тот держал в руке, и жезл тут же превра- . тился В змея. rосподь велел Моисею схватить змея З3 хвост, и змей снова превратился в жезл в ero руке. . Не будем относиться к этой истории серьезно, но внешне эволюция формы жезла действительно очень сходна с тем, что происходит с запоминающими спла- вами Современная история вопроса начинается, пожалуй, с 1932 r., коrда известный метаJIЛОфИ3ИК Оландер на собрании UПведскоrо металлурrическоrо оБIЦества coo щил о «резиноподобном поведении» сплава золота с ка- дмием. Он врервые столкнулся с нбычным явлением, 111 
-.........:... :-.... ..:. ..... . :...: ._. .. ,'. .._ ..!. :.... 8. :....... ..._ . . .. .. . . .. . . . . .... .....:...,... . Рис. 64 которое мы теперь называем сверхупруrостью, НО при.. чины ero еще долrое время оставались неясными. В 1948 r. один из крупнейших советских металлофи.. зиков академик r. В. Курдюмов предсказал, а уже в еле- ,кующем rоду вместе со своим сотрудником л. r. Ханд- росом экспериментально обнаружил новый тип внутрен- них превращений в сплавах. Нам придется разобраться, в чем суть этих превращений, поскольку, как выясни.. JlОСЬ позже, именно они ответственны за проявление сверхупруrости. и ЭЗФ в сплавах, в которых эти.эффекты выражены наиболее ярко. В 1989 r. это было признано открытием и ero авторы получили соответствующий ,цИПJlОМ, а само явление........ название «Эффект Курдю- мова». . Bcero через' два roAa после опубликования работ r. В. Курдюмова, в 1951 r., американские ученые ЧЭН и Рид обнаружили, что CПJlав золота с кадмием, который теперь называют сплавом Опандера, помимо сверхупру.. FOCти способен проявлять и ЭЗФ. А в 1958 r. на Всемир- ной выставке в Брюсселе уже демонстрировался при- J12 
. . митивныи двиrатель O стержнем из этоrо сплава, по.. строенный именно по той, схеме, которую мы рассмотрели (рис. 63). Однако все эти изыскания до 1963 r. восприиимались мноrими как нечто экзотическое, не имеющее никакоrо прикладноrо значения; красивые фокусы и ничеrо 60.. .nее. 1963 rод стал переломным, отошение к эффектам запоминания формы и сверхупруr.ости резко измени... лось. Сотрудники лаборатории военно"морской артиле.. рии США Бюлер и друrие, ведя планомерный поиск сплавов, обладающих высокой стойкостью ПРОТИВ кор- розии, натолкнулись на сплав никеля с титаном с приб- JlИЗИТельио ..,равиым содержанием этих двух компqнен" ТОВ. ; КажДЫЙ из двух металлов хорошо сопротивляся коррозии, исплав получился в этом ОТНОllIени ,отлич" ным. Кроме Toro, оказалось, что он' имеет высокую проч.. ность И пластичность. Но вовсе неожиданным'П замеча.. тельным было то, что он ПрОЯВnЯJl ярко выраженную способность.к запоминанию формы, или сверхупруrость, или и то и друrое вместе. Величtlна аномальной деформа.. ции, которая исчезала ПРИАО""разrрузке (сверхупруrость) или при HarpeBe (память), составила как раз ОКО- .110 1 О %. Эro было редчайшей удачей. Никель и титан значи- тельн дешевле и доступней, чем, например, сплав Олан- дера, в котором около половиНы........... золото. Сочетание же свойств HOBoro сплава было удивительно блаrоприят- НЫМ. Ero назвали нитииол: «ни» И «ти» ......... символы КОМ" понентов сплава Ni и Ti. а «нол» ........ первые буквы назва- ния лаборатории, rде рааJlИ авторы. С тех пор и на.. чался «иитиноловый бум». хотя практическое приме- нение нашли и некоторые друrие сплавы, ПрОЯВЛЯlощие ЭЗФ. t 6. Космические и земные профессии запоминающих сплавов озможности практическоrо применения сплавов, обладающих уникальным свойством запоми- нать . ФОРМУ, ИСКJlЮЧИтельно разнообразны и заманчивы. Здесь перед конструкторами""':" широкое поле деятель- I н ости , усеянное ПрИНЦИПИ8J1ЬНО новыми инженерными решениями. Например,  в космической технике с по- МОIЦью этих сплавов эффектно решается традиционная проблема экономии места (рис. 65). Свернутые или скру- 113 
чеl;fные в -компактную форму и уложенные внебольших Н\1шах космическоrо корабля,. антенны 1 и 3, механизм стабилизации 2, СО.J1нечная батарея 4, распрямляются или выиrаются из ни- ши после запуска аппа- рата на орбиту от дей. ствия солнечноrо тепла. Не правда ли, антенна 1 напоминает самопроиз- вольно разrибающийся бараний por? Это можно йспользовать для созда- ния космическоrо радио- телескопа.......... компактный u моток ИЗ тонкои прово.. 2 Рис. 65. JIОКИ разворачивается при HarpeBe в Kpyr диаметром около 2 кмl На рис. 66 показана схема простой КОНСТРУКЦИИ дЛЯ раСС1;ЫКОВКИ блоков Jlетательноrо аппарата. По команде на расстыковку включается иаrрев сц-ирали 2 и выпрям" ляется основная силовая деталь uривода 1. Конструкция отлиается простотой и надежносТl;»Ю: здесь не требуется викакоrо ДОlЮлиительноrо двиrателя и нет -никаких про- u межуточНhIX детален, передающих усилие. 114 
Конечно, запоминающим сплавам есть MHoro приме- нений на Земле и в воздухе, на воде и ПОД водой. Их способность поднимать rрузы при HarpeBe открывает ВО3- можность создания двиrателей прямоrо преобразова- ния тепла в механическую работу. Модели таких двиrа.. телей уже построены. Их коэффициент полезноrо дей. ствия невысок, но ведь для их работы можно ИСПОЛЬЗ0 40 вать низкотемпературные источники тепла ........солНечНуlО энерrию, тепловые отходы пр{)мышленных предприятий и пр. У 2 , ....... ..... Блок I а) б) Рис. 66. Свойство развивать напряжение в процессе «ВСПО1vIИ" нания» формы нашло применение при создании соедине- ния способом, заменяющим сварку. пайку 11 друrие тра- диционные метоДы. Допустим, HaM надо соединить две трубки для получения, скажем, ТОПЛ'ивопроводз дви" rателя самолеТа. Берем втулку из иизкотемпературноrо 'о  запоминающеrо сплава, внутреннии диаметр которои на 4 % .меньше наружноrо диаметра соединяемых тру- бок (рис. 67, позиция 1). В жидком азоте (196 ОС) деформируем втулку методом раздачи, так что ее вну- тренний диаметр становится на 4 % больше наружноrо . диаметра трубок........ позиция 2. Теперь КОНЦЫ трубок мы . можем ввести внутрь втулки, которая, отоrреваясь до u комнатнои температуры, сжимается и сжимает концы ТI'убок, обеспечивая прочное, rерметичное соединение ........ позиция 3. Здесь используется та самая совершенно не.. обычная с инженерной точки зрения особенность ПРОЯВ- ления пяти металла, коrда мы заставляем ero сжи- маться np)t Harpeвe. lSонечно, ВДOJlЬ оси трубок втулка растяrиваerся, НО в данном случае ЭТО не мешает реше- 115 
ИЮ задачи; важно п<;>лучить пр. HarpeBe умеl:lьwение диаметра втулки, чтобы он.а сжала КОНЦЫ соединяемы трубоК. 0 00  r///J/'--'../J/11 bJ 1 2 J Рис. 67. в авиации и кораблестроении уже установлены сотни _ тысяч таких соединений. Они 'показали высокую надеж- ность и работают безотказно. А ведь надо учитывать, что технически это значительно проще, чем сваривать или паять. Можно леrко выполнять такие соединения в труд- 116 
HOДYHЫX ИЛИ, пожароопасых ecrax и даже 8 rаих эkЭОТИЧески'х условиях,  коrда CBa'pKa или пайка Booиie . ... t  "t . l ' J . . невозможны, ........ например, на дне моря. Запоминающие сплавы использ}'ют и для создания pa3Horo рода автоматических термореrуляторов и исом" 3 , ' 4 I а) б) " , ,  . ,.  Ри.с. 68. нительных механизмов, србатывающих при неООЛЬШОl\{ повы(uении 'заранее 'заанноrо. знчен,Я температур. На рис'. 6 показана схема автоматическор устройства! которое МОЖНQ использовать для пожаротушения.Элемен- ты из запоминающеrо сплава 1 входят в отверстия КОН- 111 
ТtЙнера 2, заПОel1ненноrо соответствующей смесь!<), и удерживают поршень 8 в нижнем положении. При по вышении температуры они вспоминают заданную им ранее форму и .освобождают поршень, который ПОД дей- С1 вием ПРУЖИНЫ 4 движется вверх, прокзлывает про- бопником диафраrму в крышке контейнера ивыбрасы.. вает ero содержимое наружу. Инт.ересны возможности ис.. пользования этих сплавов в ме.. диuине_ Их применяют при опе- рациях, связанных со сращива- нием костных переломов (рис. 69). Мы уже упоминали об этом (с. 57) и обещали вернуться к этому примеру, поскольку здесь u используется чреэвычаино инте- ресное сочетание двух. эффек" ТОВ  запоминания формы и сверхупруrости. Скобку.. оружии.. КУ задаНJlОЙ формы и размеров растrивают при пониженноЙ те}.1пературе и Бст.авляют ее концы в отверстия, про- сверленные по обе стороны перелома. Состав сплС!ва подобран так, что при температуре тела скобка ВСПОМИ. нает прежнюю форму и одновременно переходит в сверх. Рис. 69. ,Рис. 70. 118 
упруrое состояние. Следовательно, она начинает сжи- маться и ПрИ8QДИТ обломки кости в плотное соприкос- новение, на что затрачивается скажем, половина из от. пущенных нам 10% деформации. Ilосле этоrо КОСТЬ начинает сопротивляться дальнейшему сжатию, что, как tbI уже знаем, приводит к росту напряжения в ней. (:кобка как бы начинает наrРУЖ8ТЬ сама себя, одновре.. 1eHHO прижимая Apyr к друrу и обломки кости. Но при Harpy жении cBepKynpyroro материала диаrрамма деформации имеет  своеобразный вид (рис. 30); скоб- ha запасает ОСТЗЛЬНЫ,е 5 % дефор- 1vlации и будет «выдавать» их по- степенно по мере срастания об.. .,10МКОВ, поддерживая постоянное усилие прижатия. Разрабатываются новые соо- . собы лечения TaKoro заболевания Рис. 71: как сколиоз  искривлние по- 3БQночника. В орrанизм больноrо оперативным путем ЕВО. u ДЯТ стержень, изоrllУТЫИ так, что он повторяет неправиль- ную форму позвоночника, и скрепляют ero с позвоночным столбом (рис. 71): Стержень помнит заранее заданную ему форму правильноrо позвоночника и начинает вспо- минать ее при небольшом (не опасном и безболезненном ДЛЯ человека) превышении температуры над температу- рой тела. Врач может леrко реrулировать ХОД лечения. Друrой пример  фильтры для улавливания тром" бов (crYCTKoB крови) в сосудах. Слеrка охлажденная прямая тонкая проволочка вв?дится 8 нужное место кро" BeHocHoro сосуда, там, отоrреваясь до температуры тела, принимает ранее заданную ей причудливо запутанную форму. Фидьтр пропускаet кровь, но задерживает тромб, КОТОРЫЙ t добравшись до сердца или мозrа, Mor бы при.. вести к смертельному .исходу (рис. 73). Еще одно очень интересное направление внутрисосу'" диетой хирурrии развивается во Всесоюзном научном центре хирурrии под руководством профессора и. х. Раб- кина. Сотрудники этоrо центра и MOCKOВCKOro института стали и сплавов уже провели успешные эксперименты на животных по вживлению в кровеносные сосуды нити. половых пружинок; укрепляющих изнутри стенки со. суда. Проволока вводится в сосуд через узкую трубочку 119 
(катетор)- и. в нужном месте «вспоминает)' фор-му пружи-- ны и как' бы армирует ослабленный участок cocyд.; -Начаты работы' по созданию искусствеННОfО- сеРДllа с использованием тонких проволок из запоминающих  ..... ""..,. ОСЛЕ" HarPE    РЙе. 72. сплаов. В-МO}lИцине, кроме памяти, используется" еще и ТО обсТОЯТeJ1ЬCТВО, что нитинол имеет очень высокую коррозионнуетойкость и показал отличную совмести.. мость с тканями живых орrанизмов. Если вернуться к технике, то можно найти еще MHoro ярких примеров. эффектноrо.- решения сложнейших кон... СТРУК1'Орских задач с IJOМОЩЬЮ нитипола или друrих запоминающих сплавов. Представим себе, что нам НЖНО выполни.ть CQOPI5Y деталей в таКОМ,узле, ДОСТУПК KO'lU'" 120 
рому ;ВQзможен ТОЛЬКО- С. ОДНО.Й сroроны..:Все, вероятно, видели вблизи совреМенный пассажирений самолет. Об.. шивка ero КQрпуса и крыльев прикрenляется к несУЩИМ PBe 13. ,у, .. .., ' . , " ... \, . ......." I , ' I , \ " Рис. 74. конструкциям с 'ПОМОЩЬЮ orpOMHoro количества закле- ПОК. этот способ соеДl1нения деталей вообще еще доста- точно широко распространен, хотя ero и «теснят» более проиэводительные методы, такие, как сварка и пай ка. 1I 
Так вот, бывают случаи, коrда место будущеrо соеди.. пения, скажем, двух металлических листов открыто для сборщика только спереди, а с ТЫJIЬНОЙ стороны К нему' подобраться невозможно. Вставить заклепку вотвер.. стие, заранее проделанное в обоих Jlистах, ветрудно. Но ведь дальше надо ударить МОJlОТКОМ по заклепке с противоположной  стороны (придерживая ее спереди), чтобы образовать вторую «шляпку» и плотно сдинить листы. ' Привыкший. К «НИТИIIОJIОВЫМ чудесаю чнтафь уже доrадыв ается, как МОЖНО решть эту техническую за- дачу. Заклепка И3 запоминающerо сплава будет иметь шляпку 1'OJiьKO с одной стороны, а ее стержень.с друrоrо конца нужно будет пропилить вдоль оси на определеННУIО длину и развести концы в стороны. В таком виде заклеп- . ку нужно «заневолить» И HarpeTb, т. е. вынудить ее при.. нять и «зпомнить» эту новую форму (с. 110). После этой операции мы уже при комнатной температуре снова сво- дим вместе KOi-IUbl заклепки так, что исходная форма ее стержня восстан.авливается (если не считать узкоro «про- пила», который не мешает сборке). Но заклепка уже «заряжена». Остается вставить ее в отверстие и иаrреть, IIЗПрИI\1ер, rорелкой ее шляпку. Постепенно наrреется весь стержень заклепки, и коrда на ero противоположной стороне будет достиrнута нужная температура, срабо.. " тает память металла, и концы рззондутся В стороны, v плотно прижимая заднии лист к переднему. Нитинол не ржавеет, он леrок и достаточно прочен. Не исключено, что в будущем из Hero будут, например, делать корпусы автомобилей. Такой автомобиль, даже после серьезноrо дорожноrо происшествия, восстановит. форму кузова просто в результате леrкоrо подоrрева поврежденных мест. Конечно, сейчас «автомобильный» проrноз выrлядит, пожалуй, слишком смелым, так как запоминающие сплавы еще довольно дороrи. Но ведь мы еще не знаем, чем нас завтра порадуют rеолоrи и металлурrи!  7. Как. закаливается сталь? Казалось бы, что общеrо между закалкой стали и явлением запоминания формы? Однако,. как ЭТО v ни странно на первым взrляд, такая связь существует. Чтобы разобраться в причинах удивительной способности 122 
сплавов запоминать форму, надо по крайней мере схема- тично представить себе, что происходит при закалке стали. Это будет соответствовать и исторической после- довательности событий, которые привели к открытию па.. мяти металлов. Таким образом, в течение нескольких минут читатель проделает путь, на который человечеству потребовалось MHOro веков. / \ Еще в «Одиссее» rOMepa мы находим упоминание о за- I{алке стали: «Так расторопный ковач, изrотовив топор иль секиру t в воду металл (на orHe раскаливши ero, чтоб двойную крепость имел) norp, ужает и звонко шипит он в холодной влаrе». Эта ассоциация возникла у Одиссея в момент, коrда ОН вместе с двенадцатью надежными и отважными спутниками вонзил раскаленный кол в еди- ственный rлаз циклопа........ людоеда Полифема. Поскольку в «Одиссее» описываются события времен Троянекой войны (XII век до н. э.), ясно, что люди умеют закали- вать сталь уже более трех тысяч лет. Приведем еще менее приятную цитату из летописи храма Балrала (Мала.я ДЗИ'Я, IX век до н. з.), В которой описан метод закалки б)'а1'ноrо клинка: «HarpesaTb, пока оН не засветится, \IIIIII  ...::::: ----=== ......-'! .  .: /I/I\\ Рвс. 75. 123 
как восходящее 8 пустыце $:олнце, затем о}(ладить erQ .до, . . , ... i ' . ... ., .." цвета uapCKoro пурпура, поrружая 8 тело мускулистоrо. раба... Сила раба, переходя 8 кинжал. и ПРИАзет MeтaJIJIY: твердость».. ' в средние века считалось, что охлаждать рас калеtI-. ную сталь необходимо в моче рыжеro мальчика, а коrда откаЗ8ЛИСЬ и от этоrо рецепта, то появились новые, ТОЖ ДQВОЛЬНО странные. Например, американцы в течение долrоrо времени танкерами возили воду ддя закалки стали из Анrлии, так как по их мнению хорошую закаку можно было сделат только 8 анrлийской воде. Очевидно, что эти нелепые" подчас дикие мerоды З- калки стали . прочие peцeTЫ и секреты ........ все это плодъr незнания. Лишь в 2030-x rодах нашеrо столеТl-tя. была " t ' - выяснена природа процессов, ротекающих при закал'ке стали и ответственных за резк изменение ее свойств ........ повышение твердос:rи, прочности и др. Оказаось, что возможность закаливать crab базируется на qолиор. физме желе'за. Я'вление полиморфизма, которое свойственно некото", рым металлам и сплавам, ....... ЭТQ способность существо- ва,ТЬ в разных кристаллических модификациях (Фазах). Рис. 16. 124 
Се'час Особенности по:лиморфных прращениЙ хорошо I?ЗУЧ,ены.  ходе охлаждения при постоянном давлении, уже после затвердевания, при какой"то температуре про- исодит переупзковка атомов В, решетку друrСfО типа. При дальнейшем охлаждении может происходить новая перестройка атомов в решетку TpeTbero типа или (в же.. .пезе) снова в решетку nepBoro типа. Например, марrанец существует в четырех (!) кристаллических модификациях.' При нзrреве все перестройки решетки обычно идут в об- ратном порядке. Изменение решетки металлов и сплавов при охлаждении или HarpeBe........ зто пример фаэовоrо nревращения. Мноrие фазовые превращения нам знакомы с дет- СТВа. Например. при таяии льда получается вода (жид- кая фаза). При дальейwем наrреВ8НИИ вода превра- щается в пар (rазообраЗН8Я фаза). Но при таких превра- щениях фазы резко различаются по величине межатом" ных расстояний и характеру тепловоrо движения aTQMOB, а в твердом состоянии фазы различаются лишь способом упаковки атомов, расстояния между которыми меняются IlеЗО8ЧUТельно. Механические свойства разных КРИСТ8Л- . . лических модификации OAHoro и тоrоже металла, конечно, не различаются столь сильно, как, скажем, свойства BOД и льда. Однако различия физических (например, маrнит- ных) свойств MorYT быт очень резкими. В остальном имеется определенное сходство превра- щений >fSидкость  кристалл и кристалл  кристалл (с друrой решеткой). В чистом металле полиморфное прев- u ращение идет при cTporo определеннои температуре, за.. висящей от внешнеrо давления (как и плавление или кри- сталлизация). Только при этой температуре возможно lvJИрНое сосуществование двух фаз. Если превращение при HarpeBe требует затраты определенноrо количества тепловой энерrии, то превращение, идущее при охлаж- дении, как я при кристаллизации, сопровождается вы- делением тепла. . Есть два основных механизма фазовых превращений в твердом теле. Если температура еще достаточно высока (скажем, 0,5 т пл ) и атомы сравнительно подвижны, они способны обмениваться местами с соседями и переме- щаться на расстояния, превышающие межатомное. В этом случае атомы как бы по кидают свои позиuии в старой ре'; тетке и поодиночке или небольшими rруппами при- страиваются к новой. 125 
Если же эта перестРойка ОДНОЙ кристаллической ре- шетки в друrую идет при низких температурах, то харак- тер атомных смещений изменяется. Здесь уже ПОДБИЖ. ность атомов низка, и они не мoryт менять соседей, поэтому они попадают в новые положения, соответствую- .. - щие друrои решетке, в результате взаимно соrласован" lIЫХ перемещений на малые расстояния. rеометрически эта ситуация аналоrична изобра)l{ен- ной на рис. 32 и 33: атомы в одном слое совместно сме.. щаются относительно атомов друrorо слоя. Orличие лишь в том, ЧТО порядок упаковки атомов в соседних слоях разцыЙ ........ в одном слое они образуют решетку одноrо типа, а в друrом ----- друrorо. Превращенная область"в кристаллическом теле как- СЫ испытывает сдвиr относительно соседней, в ко.. .. 1'ОрОИ еще сохраl1илась старая решетка, а также относительно тoro'" же самою участка с прежним по- рядком упаковки атомов, в котором ова .сама образо-' валась. Превращения этоrо -типа были названы мар": тенситными, а образующаяся в  результате фаза с НОВОЙ решеткой.......... мартенситом (8 честь иемецкоrо 1етаJlловеда =... Мартенса; не путайте с Мартеном, изо- бретателем стзлеПJlавильноrо процесса). ВысокотеМ- пературную фазу в железе и стали (а поз.цнее, по 8Нало- rин, и в друrих сплавах) назвали аусteнитом:....... в честь анrлийскоrо металлурrа Аустена. Именно превращение аустенита в мартенснт ответственно за резкое изменение 9 своиств стаJlИ при закалке. Дело в том, что высокотемпературная модификация железа....... аустенит ........ имеет rранецентрированиую куби. ческую решетку с плотной упаковкой (с. 46), но сравни. тельно большим размером пор, в которых MorYT разме- щаться атомы уrлерода. Вследствие этоrо в аустените ero может раствориться ДО 2 % (по массе). Таким образом, весь уrлерод, имеющийся в составе стали (а ero обычно значительно меньше 2 %), при температурах 800.......... 1000 ос находится в решетке аустенита, образует твер.. дый раствор внедрения. Низкотемпературная а-модифи.. кация железа....... феррит......... имеет объемноцентрирован- JIУЮ кубическую решетку (см. с. 60) со зна'читель- ПО меньшим объемом пор и практически не растворяет уrлерод. Если ОХJlаждать аустенит медленно, то в ходе обраэо... вания а-фазы железа уrлерод будет выделяться из твер.. 126 
доrо раствора, вступая в химическое соединение с желе- ЗОtvl. Тоrда при низких температурах структура ста,ПII будет представлять собой смесь феррита, в котором почти нет уrлерода, и карбида железа FезС, в котором уrлерода около 7 %. Процесс образованип карбида требует перемещения атомов уrлерода на значительные раССТОЯflИЯ: они долж.. IIbI скапливаться в тех участках аустенита, rде возникне'r карбидная частица, и наоборот, освобождать от cBoero присутствия те объемы, в которых образуется феррит, не желающИй растворять уrлерод. Но ди<РФузионная под.. вижность атомов уrлерода, как мы помним, сильно зави- сит от температуры, и ниже 200.......300 ос описанный про- цесс станоJ3ИТСЯ невозможным. Быстрое охлаждение при закалке как раз и нужно для Toro, чтобы привести аусте.. пит в этот интервал температур, не допустив ero распада H смесь феррита и карбида. Тоrда и реализуется l\fapTeH" ситное превращение, в результате KOToporo атомы yrJIe.. рода принудительно «заrоняются» В решетку феррита, вопре,КИ ero нежеланию. Весь уrлерод, растворенный. при QrpeBe в аустените автоматически переходит в феррит. выЗЫf3ая в ero решетке' сильнейшие искажения. ЕСII'1И в )стаЛИ,' С'кажем, 0,6 % уrлерода, то после закалки мы получаем lOO-кратное пересьшiение феррита, так как при . ' ко.мнтнои темрературе ,он растворяет добровольно лишь O006 % уrлерода. Как установил r. В. КУРдюмов, без.. диqкpузионное превраrцение аустенита в сильно пересы.. щенныIй феррит (мартенсит) и вызывает резкое упрочне.. ние стали. Теперь ее трудно пластически деформировать, поскольку дислокации в мартенсите двиrаются с боЛЬ- шим трудом. Двиению дислокаций препятствуют те искаженные области решетки, в которых располаrаются атомы уrлерода, а эти области отстоят друr от друrа уже не на тысячи (как в феррите с 0,006 % уrлерода), а лишь на десятки межатомных расстояний.  8. Оловянная чума и открытие r. 8. Курдюмова и л. f. ХанJфоса Хотя мартенситное превращение связано со эначительнымIf сдвиrовыми смещениями атомов, форма тела пfI закалке в цеЛОf не изменяется. Дело в том, что аустенит сопротивляется росту в ero среде новой фазы, 127 
НапРНlI«Жuе ------, OJ(JlflHЦtJ А , , , , I I I I  Рис. 77. 
заставляя мартенснтную фаау разбиваться на отдельные кристаллы, так чтобы направлеииs сдвиrовых смещений в соседних кристаллах были противоположны. Эrо сни- )кает общий уровень напряжений, возникающих в ходе мартенситноrо превращения. из-за сильных деформаций решетки и различия в удельных объемах двух участвую.. щих в нем фаз. Упрощенно эта картина изображена на рис. 77. Форма тела в целом не изменилась, но первона.. чально плоские поверхности стали ребристыми. Появился рельеф ......... непременный спутник мартенситноrо "ревра- щения. В некоторых случаях превращение сопровождается orpoMHblM объемным эффектом, и это приводит подчас к траrическим последствиям. Яркий пример этоrо......... превра- щение в олове, высокотемпературная модификация ко- TOpOl"'O (белое олово) имеет удельный объем на,25 % мень- llIИЙ, чем низкотемпературная (серое олово). Переход белоrо олова в серое обычно происходит при низких темпе- ратурах и тоrда мяrкий, пластичный металл внезапно превращается в серый порошок. Серое олово очень хрупко 11 не может выдержать напряжений, возникающих в ходе превращения. Именно это превращение послужило одной из причин rибели антарктической экспедиции Р. Скопа,' покорив" шей 18 января 1912 r. Южный полюс. Путешественники поrибли на обратном пути из-за отсутствия топлива. Со- судыr с rорючим прохудились, так как белое олово, К9ТОРЫМ они были пропаяны, «не выдержало мороза» и рассыпалось. В сущности это было непростительной небрежностью, поскольку о такой опасности в Европе знали уже двести .1JeT назад. То, что происходило с оловом при сильных морозах, назвали «оловянной чумой», которая в свое время оставила «трактиры без ложек и мисок, а солдат без пуrовиц». Но превращение в олове....... это одна край- ность, а нас сейчас больше интересует друrая. r. В. КурдЮмов и л. r. Хандрос первыми экспери.. ментально обнаружили новый тип мартенситноrо превра:.. Iцения в алюминиевой бронзе. Как и предсказывал r. В. Курдюмов, при блаrоприятном сочетании определен ных условий "ревращение аустенита (А) в мартенсит (М) приобретает особые черты. Оно становится, как выра.. зился r. В. Курдюмов, «термоупруrим). Эrот термин отражает lIеобычиые особенности TaKoro мартенситноrо 5 В. А. ЗаАМQ8сккА. Т. л. Колупаева 129' 
превращения.. Ес-ли прекратить ОХJlаждение, ro и преврз", щенне сразу прекращается на тоА СТадии, на которой ero ззстиrла температурная остановка, а если начать Harpe- вать образец, то оно вскоре начинает идти в обратную сто- рону. Это значит, что мартенсит снова превращается "'--"",'. ,'., ..', . . .. \ .. .... . . .. , ... . l'  . ', . , . . ( .. , .. ..  ,.  ..' . ......."... ," .. ': ..":.... ,О .."" :,'..:' '...  .. / ,'" , "" ..: '" ' .' : ,'" '''''''' '.. '. '.  ." - ... Рис. 78. в аустенит, все сдвиrовые смещения атомов идут в об.. ратном направлении, а сами атомы возвращаются точно в свои исходные позиции, соответствующие решетке ау- стенита.  . в сплавах, испытывающих термоупруrое превраще.. lIие, приложением внешнеrо напр,яжения можно вызвать повышение температурноrо интервала мартенситноrо пр е- вращенип, но rлавное в этих сплавах......... наличие внешней наrрузки особенно резко меняет rеометрическую картину превращения. Если напряжение приложено так, как показано на рис.. 77, то увеличивается доля кристаллов 1. в которых 130 
u направление сдвиrовых смещении атомов соrпасуется с направлением действия наrрузки, а доля кристаллов 2 уменьшается. В предельном случае при' А ----+-М-переходе реализуется только один вариант смещений атомов (рис. 32, 33), и мы получаем значительную общую дефор- lvlацию образца, которая соответствует относительному удлинению 10 % и более. Kag МБ} уже знаем, по своей величине эта деформация HaMHoro ;tn.peBЬ!lliaeT предельную упруrую деформацию обычных металлов, но она накапливается не за счет необ- ратимых сдвиrов. в аустените или мартенсите, а за счет направленноrо превращения А -+М. Внешнее напряже.. ние УПОJ)-ядочивает смещения атомов при этом превра.. щении _ Если теперь вызвать обратное превращение Л-\ -+ А, то вся эта оrромная деформация исчезнет, так как атомы обязаны вернуться в исходные положения, которые они занимали в решетке аустенита. В термоупруrих сплавах обратное превращение М-+А можно вызвать двумя способами. В первом случае оно развивается при уменьшении внешнеrо напряжения, ко. торое стимулировало А -+М-переход и привело к изме. нению формы тела. Значит, первый способ.......... это просто разrрузить образец. Вся накопленная деформация при этом исчезает, т. е. мы имеем дело со сверхупруrостью. Во втором крайнем случае после разrрузки структура сплава остается мартенситной, следовательно, сохра. няется и вся накопленная в ходе наrружения деформация. Обратное превращение М -+ А протекает при HarpeBe в определенном интервале температур, и деформация исчезает  образец «вспоминает» исходную форму. Можно получить, разумеется, и JlЮбое сочетание этих двух осНовных вариантов, любую комбинацию сверхупру.. rости и запоминания формы. Сумма соответствующих де- формаций при этом, конечно, не может превышать той предельной величины, которая соответствует каждому из двух эффектов в  ОТДeJIЬНОСТИ. Эта предельная вели- чина целиком определяется соотношением парамеТР08 .. решеток аустенита и мартенсита и reoметриеи перест- ройки одной решетки в друrую при А -+ М -+ А-превра.. щепии. В настоящее время известны сотни сплавов, проямя. ющих эффект Курдюмова. Реrулируя их состав или ре. жим обработки, мы можем смещать интервал А -+М --+- --+ А-превращений по температурной ,шкале. Например, 1>* 131 
сделаем- aK, чтобы точка M I1 ....... температура начала А --+М-превращения при охлаждении  была HeMHoro ниже комнатной температуры, а Ав ........ температура на.. ча.,lJа обратноrо М  А-превращения при HarpeBe....... не.. MHoro выше. Тоrда небольшое напряжение, приложенное при комнатной температуре, вызовет превращение А --+ М и значительное изменение формы тела, а при HarpeBe до температуры 50lOO ос оно вспомнит свою - исходную qюрму. Можно «спустить» интервал превращений в rлу- оокий холод. Тоrда задавать новую форму нужно будет при низкой температуре, а вспрминать прежнюю форму Iеталл будет в ходе oTorpeBa до температуры окружаю- щей среды. Варьируя интервал превращений, мы можем ., также при нужнои -температуре привести сплав в сверх.. ynpyroe состояние или получить необходимое сочетаНие эффектов сверхупруrости и запоминания формы. * 9. Двоиная память . и ((вечныи» двиrатеJlЬ в заКЛlочение этой rлавы вернемся к во- просу о том, почему запоминающие сплавы при охлажде.. нии леrко «уходят» от заданной им формы' но, «вспоми- ная» ее при HarpeBe, проявляют удивительную настой.. чивость (вплоть до rотовности к самоубийству). Теперь мы можем выразить это друrими словами: почему обра- зование мартенсита, ориентированноrо определенным образом, можно вызвать малыми напряжениями, а при образовании аустенита в ходе HarpeBa возникают напря- жения, rораздо большие? Зная в общих чертах механизм TepMoynpyroro мартенситноrо превращения ( 8), мы ., леrко наидем ответ на этот вопрос. Как уже было сказано, в термоупруrих 'сплавах, прикладывая внешнее напряжение, можно повысить ., температурныи интервал мартенситноrо превращения и получить нужную ориентировку мартенситных кристал- 'лов. Ранее мы обсуждали в основном последний (reoMeт.. рический) аспект этих явлений. Теперь обратимся к пер- ВОМУ. По мере охлаждения аустенита в ero решетке разви- ., В8ЮТСЯ процессы, подrотавливающие ее перестроику в ре.. шетку мартенсита. Эти процессы, анализ которых пред- ставляет собой довольно сложную задачу t выражаются в снижении модуля ynpyroCTH. Решетка аустенита как бы '132 
., яет устоицивость по отношению к смещеlНlЯМ атомов в опре;аеленных направлениях. Это, понятно, и есть те направления, сдвиrи ВДОЛЬ которых переводят решеТI{У аустенита в решетку мартенсита. Чем ближе мы ПОДХОДИМ к температуре начала мартен- ситноrо превращения Ми, тем больше «ослабляется» ре.. IlIeтKa, и, наконец, при температуре Ми начинается мар.. теНСИ11l0е превращение. Теперь рассмотрим положение, которое складывается вблизи температуры 1\\и, но не- сколько выше ее. ПодrОТОВИТeJIьные процессы зашли достаточно далеко, у решетки аустенита уже (чемод.ан.. IIoe настроеНие»: если еще HeMHoro охладить сплав, на- чалась бы ее перестройка в. решетку мартенсита. Доста... точно леrкоrо толчка, чтобы эта перестройка произошла, и этот толчок дает внешнее напряжение, которое как раз и стремится вызвать сдвиr атомов в ослабленных направлениях. Из этих рассуждений ясно, что чем ближе мы подходим к точке Ми, тем меньшее напряжение нужно, чтобы вызвать мартенситное превращение. Можно несколько «переиначить» ситуацию. Коrда сплав находится в аустенитном состоянии, при доста- точно высокой температуре (вдали от Ми),. подвешиваем 1\fалый rруз и начинаем охлаждение. Вначале небольшое напряжение (скажем, 100 МПа) от действия rруза ВЫЗЫ- Beт, лишь соответствующую .ему (по закону fукз) не.. большую упруrую деформацию решетки аустенита. При дальнейшем охлаждении (rде-то недалеко _ от Ми) насту- пит момент, коrда этоrо же напряжения будет доста- точно, чтобы вызвать мартенситное превращение. Поскольку напряжение одновременно (сортируеn ориентировки мартенситных кристаллов, сплав будет деформирован, «заряжен на вспоминание» исходной фор- мы при последующем HarpeBe. Этот HarpeB вызовет обрат- ное превращение, образование аустенита, решетка кото- poro вначале будет ослаблена; по мере повышения тем- пературы и удаления от МВ решетка аустенита «мужает И крепнen, .так что \ сплав может поднимать большие rрузы. ,Предел упруrости высокотемпературной фазы нитино.т(а приближается к 1000 МПа, поэтому и напря.. жение, которое развивается в сплаве, если мы мешаем ему «вспоминать» форму, имеет такую же величину.Если мы подвесим еще больший rруз, то начнется уже пласти- ческая дeфqрмация аустеНИТ8, и что будет дальше........ уже известно (с-. l09110). 133 
Как-видно, здесь нет никакой мистики, все объясня- ется самым естественным образом. Нет, конечно, и ни.. u каких шансов построить вечнhIИ двиrатель, так как надо расходовать тепло, чтобы обеспечить подъем тяже- лоrо rруза. Это тепло расходуется На Harpeв сплава до температуры обратноrо превращения и на само зто пре- вращение, которое, как мы знаем, развивается с поrло- щением тепла. Чем тяжелее rруз, который мы стремимсS1 таким способом поднять, тем ВЫШ будет температура обратноrо превращения и тем больше надо будет израс.. ходовать тепловой энерrии. Если взять отношение произ- веденной при подъеме rруза работы к поrпощенной при HarpeBe тепловой энерrии, то эта величина (К. п. д.) окажется в пределах от 5 до 20 %. И все же способность запоминающих сплавов «заря- жаться» ПОД действием небольших напряжений дает еще один очень интересный эффект.......... так называемый обра- тимый ЭЗФ. Иначе это явление называют «двойной па- :h-1ЯТЬЮ». Суть ero в следующем. Если несколько раз Harpeтb и охладить нитиноловыЙ стержень с подвешенным на конце не60JIЬШИМ rРУЗОl\1 (например, по схеме рис. 63), то в нем будут повторяться уже знакомые нам процессы. При охлаждении стержень будет изrибаться, «заряжаясь» за счет мартенСИТНОI о лревращения, а при HarpeBe......... выпрямляться, вспоми- ная прежнюю форму и леrко поднимая подвешенныЙ rруз (леrко .......... потому что он Mor бы поднять и в 10 раз больший). Каждый раз при охлаждении образуютсн ОДНИ и те же кристаллы мартенсита, «иэбраННЫе» J)неш- u u НИМ напряжением, и каждыи кристалл всякии раз вы- растает на одном и том же, «своем законном» месте. Дело в том, что в структуре аустенита всеrда есть определен- ные неоднородности ....... rраницы зерен, дислокации, мел- кие частички друrих фаз, создающие поля внутренних напряжений. Эти небольшие напряжения, вместе с напря. ,жением, создаваемым внешней силой, способствуют ро- сту таких кристаллов мартенсита, ориеtIтировка которых 1]учше Bcero соответствует направлению равнодействую- щей всех сил, возникающих в данном участке образца. Конечно, rлавную рОЛq иrрает внешнее напряжение, но u мелкие rеометрические детали перестроики решетки в каждом участке структуры......... свои. При HarpeBe мар.. тенситные кристаллы исчезнут, но при втором охлажде- нии под наrрузкой они вновь орразуются в тех же M- J4 
стах, так как сработают те же тонкие особенности ,струк- туры. иклические переходы аустенита в мартенсит и об- ратно не проходят бесследно для структуры образца, хотя накопленная при охлаждении деформация праКТIl чески полностью исчезает при HarpeBe. Сами эти ЦИКЛЫ приводят к слабым изменениям в структуре аустенита, I(оторая постепенно приспосабливзется к тому, что мар- тенситные кристаллы появляются всеrда в одних и тех }ке местах. Получается, что внешнее напряжение как бы «прорубает дороrу» мартенситным кристаллам нужной ориентировки. Коrда оно сделает это несколько раз, собственное состояние структуры аустенита становится таким, что она уже «привыкает» к появлению именно эrих кристаллов при охлаждении. Вырабатывается «вто- рая память» сплава......... «память холодной формы». Теперь уже и без внешней наrрузки сплав деформируется при охлаждении в том же направлении, а при HarpeBe, как и прежде, восстанавливает исходную форму. Конечно, ориентирующее действие внутренних полеЙ напряжений, сформировавшихся в результате TaKoro «приучения», не может быть таким мощным, как действие внешнеrо rруза. Если охлаждением под наrрузкой мож 110 получить, как мы уже знаем, приблизительно lO%-ную относительную деформацию, то «дрессированный» сплав дает деформацию Bcero 1.........3 %. Значит t блаrоприятные варианты ориентировки мартенсита реализуются в ЭТОt случае лишь частично (схематично это соответствует, например, второй позиции на рис. 77). Таким образом, мы получаем материал, который уже' без всякоro участия внешних сил самопроизвольно де- формируется при охлаждении в одном направлении, а при иаrpеве ........ в противоположном, Т. е. сплав «помнит» две формы ......... «холодную» И «теплую». В этом состоянии сплав можно использовать, например, для автоматиче- ских термореrуляторов, реаrирующих на небольшие I(олебания температуры, скажем, в помещении. Такие тepMopery ляторы можно сделать. и с использованием обыч- I1oro однократноrо ЭЗФ, но тоrда требуются «встречные» пружины ftля «зарядки» устройства при охлаждении. Здесь же потребность в этом отпадает, и конструк- ции существенно упрощаются. Интересно, что при на- rpeBe развиваются примерно такие же напряжения, как и при внешней «зарядgе» на полную величину деформации. 135 
И наконец, мы расскажем о том, как обратимый ЭЗФ проявил себя при разработке моделей нитиноловоrо ДВИ" }'зтеля. Одна из таких моделей построена 10 лет назад под руководством американскоrо инженера Р. Бэнкса. Она представляет собой устройство, основным элемеНТОf\.1 KOToporo является колесо диаметром 35 см со спицами. На спицах укреплены петли длиной 15 см из нитиноло.. вой проволоки диаметром 1 ,2 ММ. Колесо вращается v в rоризонтальнои плоскости так, что петли, свисающие: СО спиц, попадают в ванну с холодной водой (24 ОС), " а на противоположнои стороне Kpyra ...... в ванну с подо.. rретой водой (48 ОС) и т. д. I Не будем подробно описывать конструкцию этоrо двиrателя. Скажем лишь, ЧТО центры вращения спиц Jt 'Колеса слеrкз смещены дpyr оrnосительно друrа, по.. этому сила, возникающая при распрямлении петли и направленная вдоль спицы, имеет составляющую, кото- рая вызывает вращение (по принципу коленчатоrо вала). J\\еханизм отреrулирован так, что в «холодном» по.луцик" ле концы петель принудительно сближаются и происходит ИХ «зарядка», а в «теплою полуцикле петли с силой . распрямляются, заставляя колесо вращаться. мы уже знаем, что для «зарядки» требуется меньшее напряже.. ние, чем ТО, которое возникает в «теплом» полуцикле в процессе вспоминания формы. Эта разница напряже- ний и обеспечивает вращение колеса. Двиrатель Р. Бэнкса совершил десятки миллионов оборотов, и возможно, что он работает и сейчас. Для " HaFpeBa воды в «теплои».ванне используется солнечное тепло, а выходная мощность машины составляет '"'-'0,2 ВТ, Т. е. он может обеспечить электроэнерrией лишь малень.. J<УЮ лампочку. Но надо учесть, что это ......... bcero-навсеrо v модель, с помощью которои проверялась длительная работоспособность нитиноловых проволок и исследова.. ..lИСЬ друrие технические вопросы. В частности, уже после несКОJIЬКИХ часов работы выяснилось, что в холод.. НОЙ воде петли самопроизвольно .закрываются, Т. е. вы.. рабатывается «память холодной формы». Теперь уже не нужно затрачивать энерrию на «зарядк}'J петель в «хо- лодном» полуцикле, что приводит к росту выходной мощности дви rател я . Двиrатель, о котором мы рассказали, конечно, Ника- иоrо прямоrо практическоro применения не имеет. ,На JfНТИНОJJОВОМ принципе будут построены и более мощные, J36 
и более компактные, и более экономичные машины. НО свою rлавную роль эта модель сыrрала ..... она стала де..- v v fонстрациеи возможностеи использования низкотемперв- 1'Урных источников тепла. Так что, хотя это и не вечный двиrатель в физическом смысле, он вечный 'в такой же мере, в какой вечно Солнце. Пусть в этой фразе есть некоторое преувеличение, но если читатель полюбил нитинол И ему подобные сплавы, он поймет, что мы имеем в ВИДV. 
r ЛАВА 5 РАЗРУШЕНИЕ, ПРОЧНОСТЬ И СВЕРХПРОЧНОСТЬ В очередной раз мы просим читателя вер- нуться к диаrрамме деформации, изображенной на рис. 13. Теперь речь пойдет о ее последнем участке, описывающем заключительную стадию взаимодействия l\fатериала с внешней силой, которая завершается ero разрушением, разделением на части. Во мноrих случаях мы стремимся вызвать разруше- ние, коrда нам нужно просверлить отверстие, разрубить полено и Т. д. Но часто разрушение......... это беда, а иноrда и траrедия; поэтому оrромную роль в технике иrрает прочность  мера сопротивления материалов разруше 4 нию. Есть два основных типа разрушения материалов........ вязкое и хрупкое. Коrда разрушение наступает после значительной пластической деформации, как на рис. 13, оно считается вязким. Вязкое разрушение наименее ()пасно, так как оно развивается сравнительно медленно, а rлавное  ero приближение леrко заметить по остаточ- ным изменениям размеров изделия. Чаще Bcero уже сами эти изменения размеров делают деталь неработоспособ- ной. В связи с этим в технике редко приходится сталки- ваться с вязким .разрушением, хотя в механизме этоrо прЬцесса MHoro интересноrо. Мы уже rоворили, что максимальное напряжение, которое может выдержать материал, соответствует верх- ней ТQчке В диаrраммы деформации и называется преде- ТIOM прочности. Вплоть ДО этой точки процесс пластиче 4 ской деформации идет равномерно по всей длине стержня. Затем в каком-то месте возникает шейка. Диаметр стерж- ня в шейке все более уменьшается, но процесс разруше 4 ния еще можно остановить. Для этоrо надо быстро раз- rрузить образец. 138 
Если срезать лишний материал по плоскостям, парал.. лельным оси стержня, то обнажится сквозная полость, в которую можно даже просунуть тонкую бумажку (рис. 79). Если бы мы не остановили испытание, то рост  этон полости В направлении поверхности стержня при- вел бы к ero разрушению. Таким обраЗОJ вязкое разру- шение при растяжении........... это u u тот редкии случаи, коrда рост трещины начинается нз rлубины металла и заканчивается на ero поверхности. rораздо чаще все происходит наоборот, но rлав- ное....... «вязкая» трещина растет медленно и ее можно оста- новить. Рис. 79. Q Рис. 80. Совсем по-друrому происходит хрупкое разрушение, с которым до сих пор, к сожалению, приходится сталки- ваться чаще. 139 
 1. Трещина .......жиJlище змея и над вершинамз Кавказа ИзrаНNНК рая пролетал: Под ним Ка!бк. как rрапь алмаза. СНf'rаи СЧИЫМ скял. И, rпубоко вкизу чернев. Как трещина, жилище зМея... М. ю. Л ер.мОНТО8. «Демон. в ЭТОЙ строфе великий русский поэт затро- нул два вопроса, которые нам предстоит выяснить, а - . именно: почему сияет rрзиь алмаза и что за «31еи» живет в трещине. Для характеристки этоrо «змея» приведе&l лишь несколько пр»меров. Oи О, Рис. 82. Во время второй мировой войны в США была ПОСТ- роена серия судов «Либерти», и с конца 1942 r. одно за друrим начали поступать сообщения о внезапных рззру.. ,шениях их корпусов. Bcero БЫJlО зареrистрировано более  140 
1000 связанных с этим аварий, часть которых имела ката- строфические последствия. На рис. 81 показана фотоrра- фия танкера, который разломился пополам в порту в без.. ветренную поrоду. Трещина моментально проскочила через палубу и по обоим бортам до caMoro киля. Хруп.. кие разрушения судов случались и в друrих странах. Кроме Toro, 'нередки случаи неожиданных разрушениЙ сварных мостов, турбоrенераторов, резервуаров для хра... пения жидкостей и rазов, самолетов (анrлийские «КО... меты»)", ракет (американские «Полярисw). Довольно страшную картину являют случаи хрупкоrо разрушения маrистральных rазопроводов (рис. 82). Трещина мчится вдоль трубопровода со скоростью реактивноrо самолета, пробеrая без остановки до десятка километров. Ясно, что все эти проделки «змея» приносят колоссальный ущерб и часто приводят к человеческим ]Кертвам. f 2. Теоретческая прочность Расчет теоретической прочности кристалли.. ческих материалов на разрыв в принципе не отличается от Toro расчета теоретическоrо сопротивления сдвиrу, который был впервые выполнен я. и. Френкелем. Если принять, что разрушение наступает в результате одно.. BpeMeHHoro разрыва всех межатомных связей перпенди- кулярно какой-либо атомной плоскости кристалла, то дЛЯ этоrо потребуется напряжение Toro ]Ке порядка, что модуль Юнrа Е (аалоrично касательное напряжение, вызывающее сдвиr в модели одновременноrо смещения атомов,  одноrо порядка с модулем сдвиrа О). Действи- тельно, различные оценки дают значения теоретической прочности Е/б + E/IO. Напомним, что железо....... «фун- дамент цивилизации»...... и сталь имеют модуль Юнrа 1"...12 · 1 ()s МПа, а значит их прочность должна была бы достиrать нескольких десятков тысяч меrапаскаJlей. УВЫ 9 реальная прочность оказывается на 23 порядка меньше v этои величины. Как и при -анализе причин низкоrо сопротивления ме- таллов ПJlастическЪй деформации, мы вынуждены приз- нать несостоятельность модели одновременноrо разрыва межатомных связей и искать механизм последоватеJlьноrо развития разрушения вдоль будущей поверхности излома. Тут и приходит «на помощь» трещина, точнее  ее спо- собность коuцентрировать напр.яжени.е у своей вершины. 141 
s з. Концентрация напряженнй Пусть пластину из какоrо-либо материала растяrивает сила, вызывающая равномерно распределен.. вые напряжения а (рис. 83). Если просверлить в пластине отверстие, то вблизи iIero произойдет 'перераспределение напряжений. Дейст- Рис. 83. J42 
ВИтeJIьно, ведь пустота не может нести наrруэку, напря- жение внутри отверстия равно нулю. Зато участки ма- териала около краев отверстия будут переrружены, на- пряжения в них будут больше (J (среднее напряжение в сечении не должно меН1lТЬСЯ, так как иначе нарушится равновесие). Такие отверстия, пустоты' уменьшающие площадь сечения, назыают концентраторами напря- жения. Математический аппарат для расчета концентрации напряжений был разработан еще в начале ХХ века. Оказалось, что величина (концентрированноrо» напряже- ния определяется формой концентратора, а также ero размерами и радиусом кривизны ero краев. Например, для эллиптическоrо ОТ8ерстия длиной 2с *), имеющеrо радиус кривизны у края р, коэффициент концентрации '" напряжении составляет а==1+2У ; . это значит, что у острых краев Taкoro концентратора напряжение возрастает до величины {J КОНЦ == а,а , rде а......... напряение, создаваемое внешне силой вдали от отверстия.  Картину напряженноrо состояния можно представить наrлядно с помощью «силовых» линий, ry- стота которых пропорциональна напряженности мате- риала. Эти линии обходят концентратор и сrущаются у ero краев (рис. 83). Видно также, что не только само отверстие не участвует в работе материала, но отлыни- вает от работы и некоторая область выше и ниже отвер- стия. Она как бы перекладывает свои обязанности на те участки пластины, которые расположены левее и правее отверстия. Если роль концентратора напряжения иrрает тре- щина, то положение резко обостряется, поскольку радиус кривизны вершины трещины очень мал и может быть в принципе раВен межатомному расстоянию, т. е. (2 + З) .}(Ji мкм. Значит', такой трещины длиной Bcero } мкм уже достаточно, чтобы понизить прочность тела во MHoro десятков раз. Др уrими словами «концентрированное» на- *) Коэффициент 2 эдесь и в дальнейшем введен просто для удобства вычислений, поскольку в расчетные формулы входит поло- вина АЛины трещины. 143 
пряжение у вершины трещины может достиrать теорети- еской Пр8ЧНости на разрыв при такой ее длине, коrда (е трудно обнаружить даже с помощью caMoro сильноrо оптическоrо микроскопа. Разрыв межатомных сязей у вершины трещины ВЫЗQ- вет увеличение ее длины, следовательно, в Dриеденной выше формуле будет возрастать с, а значит и О'конц (если 1. еличина приложенноrо напряжения о' не меняется). Это еще более усуrубляет ситуацию и т. д. Таким образом, трещины в теории хрупкоrо разруше- ния являются таким же инструментом, как дислокации в теории пластической деформап:ии. Они обеспечивают по.. u следовательное нарушение межатомных связеи при таких значениях приложенноrо напряжения, которые в сотни раз меньше «теоретической» прочности. Интересно, что представление о присутствии в твердом теле трещин, сильно снижающих ero сопротивление разрыву, было формулировано анrлийским инженером и ученым А. rриффитсом еще в 1920 r., т. е. до опубликования рас- чета я. и. Френкеля и задолrо дo зарождения теории дислокаций. s 4. Трещина rриффитса в те rоды А. rриффитс (1893.......1963) работал инженером в одном из авиационных исследовательских центров и занимался исследованиями прочн6сти стекла. Стекло не использовалось в авиастроении в качестве кон.. струкционноrо материала и служило rриффитсу моделью. на которой можно было получить идеально хрупкое раз- рушение. Руководители центра не одобряли «увлечения» rриффитса и, коrда rорелка, на которой он плавил стекло, стала причиной пожара в лаборатории, ero опыты были запрещены, а сам он переведен на друrую работу. Но все же rриффитс успел получить результаты, на которых базируется вся современная физическая теория хруп- Koro разрушения. Анализ rриффитса был удивительно простым и ясным. Убедившись в том, что без трещин ему не обойтись,.он составил уравнение баланса 9нерrии в наrруженной плас.. тине, в которой возникает и растет трещина. Чтобы по- вторить ero расчет, мы можем воспользоваться рис. 83. Итак, если пластина нахоДИТСЯ под действием напряже- ния а, не превышающеrо предела упруrости, то соответ. 144 
ствующую упруrую деформациlO можем определить из закона rYKa: {J В== Е 8 Упруrая энерrия, которая запасена в единице объема пластины, как мы знаем, равна 1 1 а' а == 2" 0'8 == 2 Е · Коrда в пластине возникает трещина длиной 2с (рис. 83), то некоторый объем материала «разrружается» (помните, отлынивает от работы), а друrие оказываются переrруженными. Но баланс упруrой энерrии в целом изменяется в сторону ее уменьшения *). Таким образом, ., мы можем считать, что полное изменение упруrои энер- rии пластины вызвано разrрузкой HeKoтoporo (эффектив- Horo) объема материала, размеры KOToporo сопоставимы с длиной трещины. rриффитс прин.ял, что этот объем оrраничен эллипсом с полуосями о и 2с. ПЛощадь этоrо эллипса равна 23102, а интересующий нас объем 2пс 2 В, rде В  толщина пластины. Значит, образование тре- " щины вызвало выделение упруrои энерrии 1 02 п0 2 с 2 В 2 Е .2пс2В== Е 8 HeMHoro фантазии ....... и мы можем считать, что вся эта энерrия «поселил ась внутри» трещины. Вот мы и устан о- u вили, что за «змеи» живет в трещине. Куда расходуется эта энерrия? rриффитс резонно предположил, что она идет на образование двух новых поверхностей  «береrов» трещины. Ведь поверхность всеrда обладает повышенной энерrией; это знает каждый, кто имел депо с мыльными пузырями. Для Toro чтобы раздуть пузырь, надо совершить работу против сил по- BepxHOCTHoro натяжения. Следовательно, поверхность обладает избыточной энерrией, только у металлов по- верхностная энерrия, которая приходится на единицу ппощади, в 1 OO раз больше, чем у мыльной пленки. Эrу удельную поверхностную энерrию обозначим "S8 Поскольку при возникновении трещины образовались *) Это леrко понять, если мы учтем, что KorAa трещина разорвет пластину пополам, обе половины вообще будут разrруж.ены, их упру- rая деформация исчезнет. 145 
две новые поверхности, каждая площадью 2 сВ (кривиз- ной береrов трещины пренебреrаем), нужно затратить энерrию 4 'cBys. В итоrе появление трещины изменило энерrию пластины на А величину n(/JcSB А == 4cBys ..... Е · Изменение этой ве- личины описывает сред" няя (результирующая) кривая на рис. 84. С Как BДHO из rрафи- ка, образование мелких треuцин энерrетически не выrодно. Но если в материале уже TЬ ro- товые трещины, ТО ИХ u u дальнеишии рост может стать выrодным. Критический размер трещины 2 С КР опреде- ляется из условия об.. ращения в нуль ервой производной dAjdc. В этой точ- ке изменение энерrии переваливает через максимум и дальше начинает уменьшаться: dA 4B 2M2cB o . ........-.t 2Еуs l/r" EVs dc  Ys ....... Е , (J  JI --пё---' r -с:. Полученное rриффитсом соотношение описывает кри- тическую ситуацию. При заданном внешнем напряже- нии (J ТРeIЦИны длиной равной или меньше 2 С. р === == 2ЕУа/а 2 расти не будут. ТРeIЦИны большей длины при этом же напряжении будут расти, причем И3 фор- мулы rриффитса следует, что при увеличении с можно уменьшат О.. 'Это фактически означает, что внешняя, Ha rрузка уже не нужна: для завершения процесса разруше- ния достаточно той упруrой энерrии, которая была запа- сена в пластине к моменту достижения критической длины трещины. . К аналоrичным соотношениям между приложенным: u u напряжением и критическои длинои трещины приводит анализ перенапряжений у ее вершины. Однако такой ПОД" ход rораздо более сложен. rриффитсу же удалось полу.. 146 о --А Рис. 84. 
чить столь фундаментальный резУJIЪ'J'зт, вообще не рас- СМ8три-вая напряженноrо состояния материала у вер- шины трещины и не привлекая представлений () разрыве межатомных связей. Теория rриффитса объяснила катастрофический ха- рактер хрупкоrо разрушения, оrромные ускорения при дви.жении трещин, невозможность остановить процесс роста трещины, если он уже прошел критическую точку. Она дала положительный ответ на важнейший вопрос: «может ли работать материал с трещинами?». Она ука- зала те предельные размеры трещин, с которыми еще может работать материал при заданном напряжении о. Рис. 85. rриффитсовская формула позволяет решить и обрат- u ную задачу, которая чаще возникает в инженер нои практике. Допустим, что технолоrия получения или об- работки какоrо-либо материала, который будет рекомен- . дован конструктору, не rарантирует отсутствия трещин в изделии. Наример, при сборке частей конструкции будer применяться сварка, которая часто вызывает об разование трещин из-за резких перепадов температуры и по друrим причинам (не случайно оольшая часть тех аварий, о которых мы рассказали, произошла со свар- ными конструкциями). в распоряжении технолоrа есть способы дефектоскопическоrо контроля, Koopыe позво- лят отбраковать детали с тре[Цинами, не допустить их 147 
эксплуатацию в ИЗДeJIИЯХ oTBeтCTBeHHoro назначения. Но .каждый метод дефектоскопии имеет некоторый nopor чувствительности, поэтому можно с уверенностью YTBep ждать лишь то, что в изделии не будет трещин длиннее определенноrо размера. Тоrда это noporoBoe значение длины трещины и нужно БУД(!f подставить в формулу fриффитса, чтобы найти напряжение О'кр' при котором пропущенные дефектоскопом трещины еще не будут опас ными. Конструктор обязан выбрать форму и размеры изделия так, чтобы при известной рабочей наrрузке напряжение в JIЮбом сечении было меньше найденноrо значения Окр. Конечно, это лишь принцип расчета допустимоrо на.. пряжения 8 конструкции. Здесь опущены мноrие вычис- лительные подробности, которые в реальном конструи- ровании очень важны. Но несомненно, что сама возмож- ность TaKoro подхода базируется на теории rриффитса. Собственные эксперименты rриффитса со стеклянными образцами (колбами), на которые он наносил острые надрезы, имитирующие трещины, дали великолепные ре- зультаты. Из теории вытекает, что произведение разру- 11l8ющеrо напряжения окр на V с кр должно быть постоян- IlblM, ПОСКОЛЬКУ Уа И Е ........ ЭТ,о константы, характеризую- lцие материал. Кроме Toro, поверхностное натяженйе и модуль Юнrа можно леrко найти из независимых экспе- риментов и численно сопоставить величины a"pV Сир и V Eys . Совпадение и здес оказалось хорошим. Однако при переходе к металлам формула rриффитса даваЛё:i результаты, которые далеко не соответствовал.. реальности. Возникло сомнение в возможности исполь- u зования этои теории применительно к металлическим ма- териалам, хотя их поведение при хрупком разрушении качественно не отличалось от поведения стекла.. Так жr, как и стеклянные, металлические изделия в определен ных условиях разрушались без заметной остаточной дe формации при напряжении, не превышающем предела ' упруrости. Так же разрушение становилось неупраВJIЯ мым, «лавинным» процессом после достижения трещиной определенной длины. При понижении температуры мно- rие металлы и сплавы, как и стекло, становились все более хрупкими. Трещины двиrались в этих условиях примерно с такими же оrромными скоростями и ускоре- ниями.  148 
Конечно, коrда мы rоворим о скорости и ускорении трещин, не следует забывать об условности этих понятий. l'рещина ведь не является материальным телОМ t а речь идет о движении ее вершины. Коrда появилась возможность измерять очень высо- кие скорости движения трещин (например, методами ско" -ростной киносъемки), были получены впечатляющие ко- личественные результаты. Известный советский специа лист в области разрушения В. М. ФИНКeJIЬ приводит такие цифры. В хрупком металле трещина на докрити- ческой стадии процесса разрушения движется со скоро- стью порядка 1 мм/ч. После достижения критическоrо размера за 9ДНУ тысячную долю секунды скорость рас- v пространения трещины увеличивается до значении по- рядка 10000 км/чl Следовательно, ускорение на этапе разrона ......... порядка 10 м/с 2 . Если бы пилотируемая кос- мическая ракета развивала такое ускорение, космонавт ,испытывал бы десятимиллионную переrрузкуl Даже бес- пилотным ракетам далеко до таких ускорений, а совре- u u 1eHHЫM реактивным лаинерам далеко до таких скоростеи. Что касается результатов столь оперативной работы трещин, то мы с ними уже знакомы по рис. 81 и 82. Отме- тим также, что подобные события значительно чаще слу- чаются в холодное время rода. Итак, в чем же дело? Склонные к переходу в хрупкое состояние, как ИХ называют, хладноломкие металлы раз- ламываются как стекло, а классическая формула rриф- фитса не работает. Испытания металлических образцов с трещинами показали, что в критический момент разру- шения (момент, за которым следует быстрый рост тре- щины) напряжение в сотни раз больше, чеt предсказы- Бает rриффитсовская формула. Или наоборот, при дан- ном разрушающем напряжении трещина должна была бы иметь такую длину, которая HaMHoro превышает раз- меры caMoro образца. И вместе с тем, сам этот критиче- v екии момент существует, и все остальные следствия тео- рии качествено выполняются. Первым нашел причину этоrо несоответствия BeHrep- ский физик Орован, один из основоположников теории дислокаций. Он понял-, что упруrая энерrия, которая высвобождается при росте трещины, расходуется не только на образование новых поверхностей, что при хрупком разрушении металла есть еще один потребитель энерrии «змея», а сам «змей» должен быть, следовательно, 149 
более МОЩНЫМ, причем значительно. Эroт потребитель энерrии  плаС1'ическая деформация. Действительно, стекло является аморфным материа.. лом, и ero способность давать остаточные деформации . ПОД деиствием напряжения определяется вязкостью. Вязкость аморфных тел резко увеличивается при пони- женин температуры. Например, снижение температуры Bcero на 20 традусов (от +80 до +60 ОС) увеличивает вязкость стекла в 10 000 раз. Значит, стекло всеrда можно «заморозить» настолько, что ero «ТечеНие» вообще станет невозможным. Уже КОlнатной температуры для этоrо достаточно. Стекло может реаrировать на пряло- жение внешней наrрузки либо изменением расстояний между атомами в пределах упруrой деформации, либо (если в нем есть трещина, а напряжение достаточно ве- лико, чтобы выполнялось условие rpиффитса) путе1 хрупкоrо разрушения. Металлы........ тела кристалличе.. ские, и механизм их пластическоrо течения ИНОЙ\ Пласти.. ческое течение, как мы знаем, связано с движ.ением ди- слокаций. Сопротивление кристаллической решетки ме- v тал лов движению дислокации возрастает с понижением температуры, однако, далеко не столь резко, как вяз.. кость аморфных тел. Вблизи абсолютноrо нуля предел упруrости металла Bcefo в несколько раз выше, че!\1 v при комнатнои температуре. Таким образом, раз около вершиlЩ трещины кон- центрируется orpoMHoe напряжение, некоторый объе{ металла всеrда будет пластически деформирован. При распространении трещины по кристаллу в зону высоких напряжений у ее вершины будут попадать все новые v . источники дислокanии, которые трещина заставиt ра- ботать, что приведет к увеличению плотности ДИСЛОl<а- ций: Короче rоворя, коrда трещина разорвет, металл, поверхность излома будет пластически деформирована, и мы уже не сможем собрать и склеить осколки, восста... новив исходную деталь с 1'ой же высокой точностью, КЗI{ В случае стекла. При хрупком разрушении металлов пластически де- фОрМlfрОВ3ННЫЙ слой, \ припеrающий к поверхности из- лома, существует всеrда; речь может идти не о ero нали- чии или отсутствии, а только о ero толщине. В зависи. мости от условий работы металла (температуры, скорости приложения наrрузки, rабаритов изделия, которые опре.. деля полный запас упруrой энерrии, пнтаклцей 'рро. 150 
несс разрушения) ero толщина может меняться от долей микрометра ДО мноrих десятков микрометров. Поскольку на пластическую деформацию затрачивается определен" ная работа, толщина слоя будет влиять на общие энерrо" затраты, 'связанные с разрушением. Чем быстрее бежит трещина, тем тоньше деформированный слой и. тем в меньшей степени он деформирован, так как требуется некоторое время на приведенне в действие дислокацион- ных источников  они обладают определенной инер- цией. Все- это не противоречит концепции rриффитса t идее баланса энерrий. Просто в ero формуле к величине 1's нужно добавить еще одно слarаемое Ур  энерrию, за- трачиваемую на пластическую деформацию слоя мате- риала, прнлеrающerо к но вой пове рхности: У Е (Ys+Yp) a . с Теперь все становится на свои места, потому что сла. fземое Ур обычно на 23 порядка больше, чем '\'3' КОТО. рую Орован назвал истинной поверхностной энерrией, чтобы отличить ее от Ур ......... эффективной поверхностной энерrии. Первым слаrаемыM можно пренебречь ввиду ero малости.' И действительно, формулу fриффитса......... Ороаана часто записывают в виде a уЕ: р . Важно, что величина Ур не остается постоянной в те- чение вcero проnесса роста трещины. По мере разrонз трещины, как уже было сказано, она уменьшается. Однако даже в С8МЬ1Х неблаrоприятных условиях она сстается значительно выше .,S- В. М. Финкель подсчитал, что эффективная поверхностная энерrия стала бы равна истинной при скорости трещины 24 КМ/С. Трещина с такой скоростью двиrаться не может; ее предельная теоретиче- с кая скорость _ составляет определенную ДOJIЮ (около по- .ТIовины) от скорости звука в металле, т. е. 2,53 км/с. Значит, на 'Ур всеrда ПРИХОДИТСЯ оольшая чась энерrии «змея» . Однако, как ни «Мал золотник» 1St а совсем пренебре- тать собой он непозволяет. Ero роль проявляется в том, что при хрупком разрушении монокристаллов поверх- ность излома Bcerдa «придерживается» определенной 151 
кристаллоrрафической плоскости в решетке. Эти плоско.. сти называют (плоскостями скола». Например, кристаллы с ОЦК решеткой раскалываются по плоскости rрани куба, и расчеты показали. что именно эта плоскость обладает наименьшей истинной поверхностной энерrией. Таким образом, Vs как бы (наnра-ляen процесс -хрупкоrо разрушения. ориентирует трещину в кристаллической решетке, а "/р' хотя и берет на себя львиную долю энер" u u rии, но (деиствуen только в рамках уже заданноя ориен- тировки трещииы. : Значит, есть плоскости в кристалле, по которым он раскалывается сравнительно леrко, если -привести ero в хрупкое состояние, например, охладив до низкой тем-. пературы. В предельном случае при хрупком разруше-' нии кристалла в изломе обнажится определенная аТОМ- ная плоскость....... плоскость скола......... и мы получим со- вершенно идеалыJе зеркало. В металлах, даже самых хрупких, вид излома далек . ' от этоrо идеала по уже известноя нам причине....... поверх- ность разрушения «испорчена» пластической деформа- цией. В сильный микроскоп мы увидим на ней ступеньки, впадины, буrорки и т. п. Рельеф поверхности излома может быть достаточно полоrим, но это все же не идеаль- ная атомная плоскость. Конечно, такой излом БJJестит. но зеркало это......... (lvIYTHOBaтoe». ИЗJIом. полученный в ре- зультате вязкоrо разрушения металла вообще не блестит; u он маТОDЫИ, хорошо рассеивает свет, так, как поверх- ность ero неизмеримо рельефнее, rораздо СИJlьнее «испор- чена» деформацией. Что касается стекла,  то; -, как мы знаем, ero леrко (заморозить» и получить идеально хрупкое разрушение. Именно поэтому ero так любил rриффитс. Но стекло....... аморфный материал: оно не имеет кристаллической решетки, ero атомы -не образуют таких правильных построений, как атомы кристаллов. Следовательно, само понятие «атомная плоскость» здесь неприменимо. Поверхность хрупкоrо разрушения стекла, hонечно, блестит t но далеко не так, как блестят брил- лианты. Вот мы и подошли ко' второму вопросу, который по- ставили в начале этой rлавы. Почему сияет rpaHb алмаза'? Это, конечно, определяется ero оптическими свойствами. Но здесlj важно и еще одно обстоятельство. Алмаз......... вещество кристаллическое, но rораздо более хрупкое, чем самый хрупкий металл. Дело в ТОМ, что ковапентная 152 
связь, объединяющая атомы в решетке лмаза имеет строrую направленность, она далеко не так rибка, как в друrих веществах. Если мы вспомним механизм пере- е u мещения дислокации в кристаллическои решетке (рис. 42), то будет видно, что он требует значительных- е уrловых смещении атомов относительно соседнеrо ,атом- HOrO слоя (хотя все это и происходит в малом объеме ........ вблизи края лишней полуплоскости). Ковалентная связь в алмазе не может выдержать таких деформаций, по- е этому движение дислокации в решетке алмаза практи- чески исключено. Вот почему алмаз тверже всех метал- лов и всех существующих на Земле минералов, вот по- чему алмаз может резать все, что уrодно, а ero ничем разрезать или даже поцарапать нельзя. \\, ,\IIIIIII   :    6,;    '?'/?4'//II\\\\\'' Рис. 86. Однако, еслц нельзя разрезать, то можно расколоть, так как чем тверже материал, тем он обычно более хру- пок. Задача ювелира ....... правильно найти плоскость скола и точно нанести удар. И тоrда обнажившаяся rpaHb ал- маза будет сиять, как вечные CHera Кавказа, поверхность которых, отшлифованная ветром времени, хорошо отра- жает солнечные лучи. 153 
 5. Сверпрочность Теперь, коrда читатель знает, в чем при- ., v чина низкои реальнои прочности металлов, у Hero Iожет возникнуть вопрос о воэмо>кности ее резкоrо увеличе. ния. Действительно, известно, чем обычно оrраничена величина предельной упруrой или пластической деформа.. ции, НО ведь есть сверхупруrость и сверхпластичность. Почему бы не быть сверхпрочности? Раэrовор об этом уже был и сейчас нам предстоит ero продолжить. Вначале наметим пути получения сверх- прочных материалов и вернемся для этоrо к опытам А. rриффитса. До cBoero «изrнания» из лаборатории (а позже rриффитс стал известным конструктор.ом авиа- ционных двиrателей) он успел установить интересную закономерность: чем тоньше стеклянные В!JЛОКН.а. тем выше их прочность на разрыв, 'Е. е. напряжение (конечно, неиаrрузка), .которое они моrутвыдержать. rриф ,фите утонял волокна, наrревая 'их v v v .. ои самон злополучнои rорелкои и ,оттяrивая их концы. В результате ему удалось получить образцы диа метром 2,5 мкм, и их прочность составила 3500 МПа, тоrда как прочность обычноrо стекла (<<окон" ной толщины») ......... около 100 МПа. Поскольку довольно cTporo соблкr далась обратно пропорuиональная зависимость между прочностью и диаметром образцов, rриффитс по считал, что он вправе экстраполировать эту зависимость n область очень малых диаметров волокон. Получилось, что такая «паутина» должна была бы иметь "рочность более 10. МПа. Эrа экспериментальная оценка хорошо совпадает с теоретической, так как модуль Юнrа стекла 7 .10. МПа. В дальнейшем удалось получить волокна диаметром J мкм И менее, и значения их прочности хорошо уклады" вались на продолжение экспериментальной кривой [риф- фитса. Пример покаЗ8Н на рис. 87. Взяв циркуль и ли. нейку t можно леrко убедиться в том, что деформация наружных слоев этой стеклянной нити превышает 7 010, причем эта 'деформация упруrая. НИТЬ полностью рас.. 154 Рис. 81. 
прямляетСЯ, если отпустить ее КОНЦЫ. Тоrда пользуяь законом rYKa t можно оuенить, что напряжение на по- верхности нити более 5.103 МПа. Дж. rордон (автор замечательной книжки «Почему мы не проваливаемся сквозь пол?») сообщает, что позже были получены стек- лянные нити с прочностью более 104 МПа, так что проr- ноэ rриитса снова подтвердился. Анализируя свои результаты, rриитс понял, что с уменьшением диаметра волокон снижается вероятность появдения в них дефектов опасноrо размера. В дальней- шем это положение получило CTporoe обоснование. Рис. 88. Итак, первый путь к сверхпрочности ....... ЭТО уменьше- ние( площади сечения материала. . Не будем, однако, за- бывать, что в конечном счете нам важна обычно не проч- ность материала, а наrрузка, которую он может выдер- жать. Значит, мы можем резко усилить конструкцию указанным путем, если сохраним площадь ее попереч- Horo сечения. Канат, сделанный из тонких ПРОВОJlочек, 155 
Mor бы в принципе выдерживать значительно большую наrрузку, чем монолитный стержень такorо же диаметра, как наш канат. Друrой путь связан с улучшением состояния поверх.. ности материала, поскольку на поверхности всеrда есть неровности, царапины и друrие дефекты, вызывающие концентрацию напряжений. К чему ведет концентрация напряжений, нам уже известно. На важнейшую роль поверхности в разрушении прямо указал своим классн... ческим экспериментом один из основателей советской llIКОЛЫ физиков академик А. ф" Иоффе. В 1924 r. он об... наружил эффект резкоrо увеличения прочности кристалла Рис. 89. каменной соли при испытании ero под водой. Этот эф..  фект так и называют...... эффект Иоффе. Если в воду поrружали часть кристалла, то она, естественно, станови- лась тоньше из..за растворения, но при наrружении кри" сталл разрушался по толстой (сухой) части, хотя ее се.. чение Mor ло быть больше в десятки и даже сотни раз. Мокрая часть кристалла обнаруживала прочность, близ.. кую к теоретической. 156 
Причина этоrо эффекта, выэвавшеrо в ТО время orpOM- вый интерес физиков и инженеров, состоит в ТОМ, что Бода растворяет даже малейшие неровности на поверх- ности кристалла, делая ее идеально rладкой. Одноrо этоrо оказалось достаточно, чтобы приблизиться к пре- дельным значениям прочности на разрыв. Но вернемся от стекла и каменной соли к металлам.  Ведь про каменную соль можно сказать примерно ТО ''Же, что и про алмаз. Хотя ионная связь, объединяющая ионы натрия и хлора в кристаллической решетке соли IIe имеет такой строrой направленнОС1И, как ковалент- яая, но она далеко не так rибка, как металлическая. Дислокационный механизм пластической деформации в ионных кристаллах реализуется с большим трудом,. и мноrие из них почти так же хрупки, как ковалентные. Рис. 90. в fетаЛJlИЧеских кристаллах дислокации подвижны, и 8 этом причина высокой пластичности металлов. Дви- " жение дислокации можно затруднить, но металл все равно не будет таким хрупким, как алмаз или соль, потому что полностью блокировать дислокации не уда- ется. С друrой стороны, дислокации MorYT сами порож- дать трещины,. что видно, например,. нз .рис. 46. Коrда две дислокации oJtHoro знака соединяются вместе, то под краем двух лишних полуплоскостей есть уже маленькая трещинка. Третья дислокация увеличит размер этой по- лости и т. д. Напрашивается вывод: приблизиться к теоретической прочности металлических кристаллов можно только в том случае, если в них совсем или почти совеем не буд ди- / \ 157 
слокациА.  Как это сделать? Здесь на помощь человеку пришла caMa природа. Именно в естественных условинх обра30В8ЛИСЬ очень' тонкие кристаллики различных ве.. ществ, К0Торые давно уже встречались - людям в мине- ралах; Ha стенах пещер и пр. Интерес к этим кристалла'! усилился, коrда они начали приносить вред, вызывая замыкания в разноrо РQда радио- и электроаппаратуре. Оказалось, что нитевидные металлические кристаллы .......... их назвали усами  MorYT медленно расти на поверх- ности rальванических покрытий, достиrая иноrда не.. скольких сантиметров в длину." Диаметр их обычно со.. ставляет 12 мкм (рис. 90) И лишь 30 лет назад выясни.. лось, что металлические усы способны выдерживать не.. бывалую по величине упруrую деформацию  несколько процентов, а прочность их близка к теоретической. Пришлось учиться выращивать усы в лабораториях, учиться управлять процессом . их роста, ускорять ero, поскольку в естественных условиях он длится месяцы и rоды. Нужно было создавать и особые испытательные CI микромашины для исследования механических своиств объектов TaKoro малоrо размера. Но усилия ученых были , \,) . . , ,,..: ... "Ir "- . , .. t _'.... .;.. \ с,. "..: · .. " , -. .. -. \....,... ..'t,-. .., .."  #f .. Рис. 91. Бознаrраждены. В настоящее время получены усы мно- rих металлов, металлоидов и различных соединений, выяснена причина их необычайно высокой прочности и уже начато их практическое использование в теХНИКt. 158 
ЧО касается металлических усов, то их высочайшая прочность (например, 1,4.104 МПа ДЛ$J.. железа) об ус.. повлена одновременным действием всех трех рассмотрен- ных нами факторов: они имеют очень малое сечение (порядка 1 мкм 2 ), они имеют чрезвычайно rnадкую поверх- ность (шероховатость часто не обнаруживается при уве- личениях в десятки тысяч раз) и, наконец, они практи- чески не содержат дислокаций и поэтому не способны к пластической деформации. t 6. Усталость и живучесть металлов мы уже упоминали эти термины, почерпну- тые, ,как и мноrие друrие, из обыденной жини человека. Если металл наряrаетсSJ, течет, забывает, вспоминает, поет, молчит и т. Д., то он может, конечно, и уставать. Коротко рассмотрим это явление  усталость металлов и заодно поrоворим о 'J':>M, как их живучесть помоrает хотя бы отчасти преодолевать усталость.  Рис. 92. Еще в эпоху rужевоrо транспорта люди замечали, что на осях почтовых карет после длительноrо пробеrа по- являлись мелкие трещины, которые, постепенно разра- стаясь, приводили к их разрушению. С . появлением же- 159 
u лезиыx _дороr это явление превратилQCЬ в важнеишую техничеСкую. проблему и получило свое современное наименование........ усталость. Оно заключается в постепен- u u ном накоплении повреждении и росте трещин под деи- ствием циклически изменяющейся наrрузки. Если какая- либо деталь испытывает постоянную изrибающую на.. rрузку и при этом вращается, то напряжеltие на ее по- верхности за время одноrо ПOJIноrо оборота успевает дважды изменить знак. В нижней точке изоrнутоrо вала (рис. 93) напряжение в данный момент растяrивающее, но вскоре эта точка окажется наверху и попадет в зону сжимающих напряжений и Т. д. Таких деталей BOKpyr нас........ миллионы. К ним относится и упомянутый в на- u - чале книrи коленчатыи вал двиrателя, железнодорожные ОСИ, наrруженные весом BaroHa, рельсы, по которым едут, BaroHbI, и мноrие-мноrие друrие. с=с F  Рис. 93. Мы не случайно ведем речь о железнодорожном тран- спорте  примеры, которые мы рассмотрим, близки каж- дому читателю, потому что все мы в большей или мень- шей степени пассажиры и каждому хочется добраться до станции назначения живым и невредимым. Эrи примеры подсказал нам один знакомый железнодорожник ---- круп- ный специалист в области рельсовых сталей, повидавший и расследовавший MHoro аварий на железной ,дороrе. Особая опасность явления усталости в том, что заклю- чительный этап разрушения обычно подкрадывается не- заметно: не возникает ни значительных остаточных де- формаций, ни каких-либо друrих внешних признаков I1риближающейся аrонии материала. При этом сам уро- u вень напряжении, вызывающих усталость металлов, -очень невысок; разрушение может наступить после ope- u деленноrо числа циклов воздеиствия TaKoro напряжения. которое в 3------4 раза меньше обычноrо предела прочности (т. е. разрушающеrо напряжения, определенноrо при однократном наrружении материала). 160 
Появление устапостных трещин обусловлено движе.. Jf1feм- и постепенным накоплением дислокаций вблизи lI08ерхности изделий. Этот процесс пластической дeqк>p.. мации охватывает не весь объем материала (ДЛЯ этоrо нужно, чтобы напряжение превосходило предел упру- rости) , а сосредоточен в caмыx слабых точках детали ......... там, rде есть острые уrлы, отверстия или друrие концент.. раторы напряжения. С появлением трещины она сама становится эффективным-gонцентратором напряжения и " растет с увеличивающеися скоростью, так как чем она длиннее, тем выше концентрированное напряжение О'1(ОНЦ у ее вершины. Постепенный рост трещины приводит к TUMY, что рано или поздно начинает выполняться уже из.. вестное нам rриффитсовское соотношение. За этим кри" тическим моментом aCTynaeт быстрое окончательное разрушение, которое происходит за один или несколько последующих циклов....... рельс «лопается». Полный срок службы изделия можно разделить на две части: время до появления трещины TaKoro размера, которую уже можно обнаружить каким-либо методом, и время от этоrо момента до окончательноrо разрушения. К счастью, второе слаrаемое часто 'бывает достаточно большим. Соотношение между этими двумя составляю- " v щими полнои долrовечности изделия зависит от своиств caMoro материала и от мноrих внешних факторов, но " . чаще Bcero второи период растяrивается на десятки и сотни тысяч циклов. Способность материала работать при наличии расту.. п\ей в нем трещины называется живучестью. Конечно, точная продолжительность периода живучести опреде- ляется чувствительностью Toro метода, который мы будем применять при обнаружении трещин, поэтому этот во.. прос обычно переходит в практическую плоскость. Приведем наrлядный пример, показывающий, что живучесть имеет решающее значение для характеристики надежности таки-х изделий, которые можно периодически "rt'Oдверrать дефектоскопическому контролю и изымать из эксплуатации при обнаружении в них трещин (рис. 94). Н9' \ рисунке показана зависимость длины усталостной трещины в трех разных материалах от числа циклов иа- rружения (или от времени, если известна частота изме.. нения наrрузки). Штриховые вертикальные линии на диаrрамме характеризу периодичность контроля, ro.. РИЗОftтальная линия 10 ........ разрешающую способность дан.. 6 8. А. 3аАМО8скнА, Т. л. Колупаева 161 
Horo метода дефектоскопии. Положение этих JlИНИЙ' на диarрамме часто не просто зависит от нашerо жепания, а определяется требованиями жизни, l l HP 1,2 Цисло ЦUНЛ08,(еремв) Рис. 94. На железной дороrе конкретное воплощение этой си.. туации каждый пассажир может наблюдать из окна CBoero купе Мвоrие, вероятно, видели стоящие на путях ва. rоны-дефектоскопы' НО пока еще контроль рельсов в ос. НОВНОМ осуществляется вручную. Если вы MHoro путе. u шествуете по железнои Aopore, то, возможно, видели и такую картину: ВДОЛЬ пути движется рабочий в науш- никах, толкая перед собой rепежку на КOJ1есах, везущую 162 
ультразвуковой дефектоскоп. Он обходит свой участок дороrи 1 раз в 10 дней, и если ему попадется трещина в рельсе размером( больше копеечной монеты, в науш- никах прозвучит предостереrающий ситн8Л. Рельс будет заменен новым....... и уrpoза катастрофы миновала. По- вышение чувствительности дефектоскопа ----- задача тех- нически разрешимая, но это привело бы к замедлению nроцесса контроля или сделало бы аппаратуру более rpo- моздкой, так что обходчик уже не CMor бы действовать в одиночку.. Можно И чаще делать проверки, но ведь надо коrда-то пропускать и сами поезда и, кроме Toro, воз- можное число обходчиков не беспредельно. Чтобы можно было представить себе масштабы всей этой работы, назо.. вем некоторые цифры. Протяженность железных дороr в СССР 140 тысяч километров, причем она растет с каж- дым rодом. Каждая дороrа состоит, как минимум, из двух линий рельсов. Длина одноrо участка рельса 25 м, в масса одноrо метра в среднем 65 Kr. Ежеrодно надо около 40 раз проконтролировать каждую точку каждоrо рельса. И ежеrодно, ради нашей безопасности, изымаются из эксплуатации примерно 240 тысяч рельсов, т. е. около полумиллиона тонн стали. Теперь вернемся к нашим трем материалам, из кото- рых первые два, предположим, имеют одинаковую кри- тическую длину трещины l,. При достижении этой длины и при заданном рабочем напряжении будет выполнено соотношение rриффитса, и произойдет катастрофически быстрое разрушение, которое уже нельзя будет предот- вратить. В материалах с одинаковой lKP, т. е. с ОДинако- u вои склонностью К хрупкому разрушению, усталостные трещины Moryт расти с существенно разными скоростями. Так и в нашем случае материал 2 имеет значительно БОль- I1JУЮ живучесть, чем материал 1. Из рис. 94 видно, что в первом материале трещина может быть обнаружена при двух проверках, а во втором  при пяти. Ясно, какой из этих двух материалов будет более надежным. Ведь обходчик  это живой человек, кото- рый может быть в плохой форме или отвлечься в непод- ходящий момент и ,Т. д. Даже если предположит!,. самое худшее, дефектный рельс из Bтoporo материала будет заменен, прежде чем трещина достиrнет критическоrо раз- мера (примерно....... с металлический рубль) и произойдет непоправимое. То, что наверняка можно сделать с пятой попытки, не всеrда делается со второйr 6* 1 
Что касается материала 3, то если 'бы мы моrли пп- ВЫСИТЬ чувствительность дефектоскопа, оказалось 6]:)J. чrо он обладает великолепной живучестью. Но пока эт() невозможно, этот материал должен быть безжалостн() sабракован. Хотя трещина усталости в нем, растет очень . медленно, она достиrет критическои длины и разорвет рельс, даже не предупредив дефеКТОСКОПИСТ8 о своем присутствии. #   .... Рис. 95. Все неприятности, связанные с рассмотренной ситуа- цией, на этом, к сожалению, не кончаются. Если разру- шение рельса привело к аварии, то обязательно прово- дится экспертиза. Эксперты, которые анализир.уЮТ строе- u ние излома, структуру и своиства материала разрушен- Horo рельса, 'должны вынести свое авторитетное заКЛIО- чение: мор или не Mor обходчик обнаружить трещину, Т. е. моrла ли она за 10 дней увеличить длину от l дО ' КР . Если да, то виноват технолоr, выпустивший рельс с не- rодной живучестью. Если нет, то виноват обходч:к, v u пропустившии трещину из-за своеи невнимателЬНОСТJ1. Так иноrД8 переп;летаются юридические и физические законы. 
r ПАВА 6 МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ СТЕКЛА в самом начале этой книrи мы выяснили. чт.о при обычных условиях затвердевания жидкоrо металл (1 ero. атомы образуют кристаллическую решетку. Toro ил и иноrо типа. Строrую периодичность системы ионов назы- вают «дальним порядком». Например, при мноrокрзтном повторении в пространстве той комбинации ионов, КОТО" рая изображена на рис. 26, в, воспроизводится объемно.. центрированная кубическая решетка. При наличии даль.. Hero порядка мы .можем точно указать координаты любоrо иона, если знаем ero порядковый номер по отноше- нию к ПРОИЗВOJIьно выбранному исходному иону. Все позиции ионов, все межатомные расстояния четко опре.- делены; все...... как в солдатском строю. Не следует думать, что «солдаты» стоят по стойке «смирно». Атомы совершают колебательные движения около положений равновесия с тем большей амплитудой, чем выше окружающая температура. Они MorYT даже обмен.иваться местами, если в «строю» появляется ва. кантное (неэаполненое) место, но при температурах, далеких от температуры плавления, такие события чрез- вычайно редки. В жидком металле картина друrая. Здесь больше под- ходит сравнение с большой толпой штатских людей. В толпе можно леrко потерять приятеля......... зто сразу наводит на мысль о том, что люди в толпе обмениваются местами. Более Toro, если вы потеряли cBoero товарища из ВИДУ, то очень скоро вы вообще не сможете указать ero координаты; известно точно только ОДнО......... он находится rде-то в толпе, Все же и в этой суматохе внимательный rлаз может обнаружить некоторый порядок. В частности, ВЫ заме.- .тите, что ваши ближайшие соседи периодически меняются, но их число почти всеrда остается неизменным........ один спереди, один сзади и двое по бокам. (Это число отно- v сится К толпе «среднеи» плотности; Вас Moryr сдавить и 165 
так, что в ближайшем окружении окажется большее число людей.) Возвращаясь к системе атомов, мы назовем такую ситуацию «БЛижним порядком». Можно довольно точно указать координаты и количество атомов, окружающих данный атом, но более далеких проrнозов делать уже нельзя. а) ,6) Рис. 96. в сплавах ближний порядок может проявляться еще и ,в стремлении атомов одноrо сорта окружать себя, например. атомами друrоrо компонента сплава. Если атомы двух компонентов резко различаются по разме- paM та маленькие атомы будут стараться расположиться 'в пустотах между большими аТШfЗМИ, так как там больше места, чем в пустотах между такими же маленькими. Значит, 8 ближайшем окружении крупных атомов будут преобладать маленькие и наоборот. Но ,поскольку пра-  вильни периодичности в расположении тех и друrих атомов нет, точно определить положения более отдален- HhlX соседей мы не сможем. В идеальном случае полу-, чается cтporoe чередование больших и малых атомов в ре- шетке ....... Аальний порядок. На рис. 96 показаны типич- ные примеры Д8Льнеrо (а) и ближнеrо (6) порядка в спла- вах, в которых количество атомов двух разных сортов 100 
'Одинаково. ВИДНО, что в случае ближнеrо порядка уже не у всех атомов одноro сорта все четыре ближайших соседа являются атомами друrorо сорта. Но все же в ближаЙШем окружении большей части заштрихованных атомов преобладают незаштрихованные и наоборот. При ОХJlаждении с умеренной скоростью атомы ме- 1'аллов и друrих кристаллических веществ имеют доста- точно времени, чтобы выстроиться в CTporOM rеометриче. СКОМ порядке. В момент достижения температуры кри- сталлизации они действуют, как бы следуя армейской команде -«становись!». У таких веществ вязкость в рас- плавленном состоянии вблизи температуры затвердева- ния довольно низкая, иначе атомам трудно было бы пробраться на свои законные места в правильной решетке, создать дальний порядо. а) 6) Рис. 97. Но в природе существует и друrая катеrория веществ, I{OTOpble называются аморфными. При охлаждении, коrда энерrия тепловых колебаний атомов становится столь низкой, что они уже не MorYT свободно путе шествовать, эти вещества сохраняют структуру жидкости. Здесь может идти речь только о ближнем порядке в расположении атомов. Движение «толпы» как бы постепенно затихает, люди все менее энерrично тол кают друr друrа и, наконец, застывают на своих случай.. ных местах, слеrка покачиваясь из стороны в сторону. На рис. 97 хорошо видна разница в строении кварца, который ЯВ3Iяется веществом кристаЛJI1iческим (а) и }(варцевоrо стекла, которое аморфно. Чер-нымя круж" 167 
'Ками изображены атомы кремния, а белыми...... кисло- рода. При одном и том же химическом составе (Si0 2 ) и одинаковом ближайшем окружении каждоrо атома' осо- бенно отчетливо проявляется различие Между дальним и ближним порядком. Обычное стекло, смола, парафин, асфальт....... это при.. меры природно аморфных материалов, не имеющйх пра- Бильноrо кристаллическоrо строения. Такие материалы при наrревании и охлаждении лищь изменяют свою вяз- u кость, но никаких принципиальных изменении во взаим.. ном расположении составляющих их атомов не проис- ходит. Рис. 98. Типичный вопрос «на засыпку»: «При какой темпера.. туре плавится асфальт?»  часто задается в различных конкурсах знатоков. Правильный ответ ---- асфальт не имеет температуры плавления, потому что плавление et.wrb разрушение кристаллической решетки, фазовый не.. реход от кристаллическоrо состояния к жидкому. 168 
'Впрочем температурные изм.енения вязкости при на- rpeBe аморфных тел MorYT быть столь сильными, что внешне картина мало ОТJlичается от плавления. Мы уж rоворили о том, что, например, при изменении темпера.. туры стекла Bcero на 20 rрадусов вязкость ero умень- шается на 4 порядка. При дальнейшем повышении Te- пературы вязкость падает еш.е быстрее, и вот уже из пер- воначально очень хрупкоrо стекла можно выдувать ажур- ные изделия, а еще подоrреть...... и оно течет, как вода. , ::- of . /, , , .... РЬ Рис. 99. у кристаллических те." подобные изменения свойств при HarpeBe происходят rораздо более резко, а само плавление........ у чистых металлов.......... идет при cтporo опр .. деленнои температуре, так что температура плавления металла является одной из ero фундаментальных физи- ческих хараК'l"еристик (констант). Если не меняется внеш- нее давление и fеталл хорошо очищен оТ примесей, то по появлению .первой капли при Harpene можно опреде- .. лить температуру с точностью до десятых долеи rрадуса. Это обстоятельство с успехом используется при rрадуи- ровке различных приборов, измеряющих температуру. Возникает вопрос  нельзя ли и в металлическом сплаве «заморозить» ту атомную структуру, которая характерна для жидкости, нельзя ли лишить металл 169 
дзльнеrо порядка в твердом состоянии. Ведь тотда MQ.O ожидать значительноrо изменения всех тех ero свойств, I{OTOpbIe определяются дравильным строением кристал.. ЛОВ. Например, если у металла нет кристалличесой ре.. шетки, то В нем не может быть и дислокаций в обычном понимании этоrо слова, потому что дислокация.......... это вполне определенное локальное иаРУlllение правильной решетки. В аморфном металле нет и rраниц зерен, так как rраницы  это места сопряжения кристаллов, имею.. щих разную ориентировку решетки в пространстве. В принципе способ, с помощью KOToporo можно ре- шить такую задачу, ясен....... надо пытаться резко увели- чить скорость охлаждения жидкоrо металла, чтобы быстро спуститься в ту область температур, rде атомы уже не MorYT менять своих соседей. Расчеты и эксперименты; показали, что подавить процесс кристаллизации дейст" вительно удается, но для этоrо нужны скорости охлажде- ния порядка миллионов rpaдYCOB в секунду. Необходи.. мость обеспечить такие rромадные скорости охлаждения расплавленноrо металла создает известные технические трудности. Один из рааработанных способов заклю- чается в разбрызrивании мелких капель жидкоrо ме.. талла на орошо отполированную поверхность быстро вращающеrося холодноrо медноrо диска. Капля на по- верхности диска «размазывается» очень тонким слоем (несколько микрометров), а хорошая теплоцроводность меди обеспечивает высокую скорость теплоотвода. Друrие варианты  прокатка тонкой струи расплава между двумя массивными медными валками, расплю- щивание капли жидкоrо металла при резком сближении двух отполированных медных пластин и т. п. (рис. 100). По"видимому, первым получил аморфный металл совет.. ский енЫЙ Е. с. Бушуев в 19451946 rr. Ему удалось РeaJIизовать метод «расплющивания» И С помqщью рент- rенОБСКИХ .лучей доказать, что 'он получил металлическое стекло. Однако результаты Е. с. Бушуева в то время вызвали сомнения и не были опубликованы, так что сей.. -час об этом Иtеются лишь устные сообщения. «Мзссовое» получение аморфных металличеоких спла- ВОВ в научных лабораториях началось в 6О-х rода«, а в настоящее В.ремя уже налажен пр0мышл,ен'ны1й вы- пуск десятков смавов в аморфном состояни,и. Оказалось, что леrче Bcero аморфизуются сплавы переходных и бла.. rородвых металлов с металлоидами (неметаллами ........ уrле- 17О 
Струн расплава , \ Медный дисн А1едные валки CтH расплава / / / 7 / полый медный цилиндр " " '" ,\ ({. , РИс. 100. 
,родом, бором, фосфором и др.), причем есть сплавы, в которых удается подавить кристаллизацию при СКО:- рости охлаждения порядка тысяч и даже сотен rрадусов в секунду. Предельная толщина металлических стекол . из таких сплавов приближается к 1 мм. Чистые металлы, наоборот. очень трудно «заморозить». Пока лишь только никель удалось получить в аморфном состоянии, для чеrо потребовалась скорость охлаждения порядка 1010 rраду- сов в секунду. Естественно, что чем выше критическая скорость охлаждения, необходимая для аморфизации, тем меньше предельная толщина металлическоrо стекла. Ведь мы можем орrанизовать быстрый отвод тепла только V . С поверхности остывающеи пленки, а скорость охлажде- ния ее внутренних слоев реrулируется уже теплопровод- ностью caMoro металла. Поэтому наиболее «ходовая» тол- щина металлических стекол  единицы или десятки ми- крометров. Аморфное состояние металла в принципе неустой- чиво. поскольку при наличии дальнеrо порядка суммар- ная энерrия системы атомов меньше. Плотность металли- ческих стекол всеrда несколько меньше, так как средние межатомные расстояния больше, чем у соответствующих кристаллов. Аморфный сплав может реализовать свое стремление к кристаллизации при HarpeBe до температур, при которых подвижность атомов достаточна для их пе.. рестройки с образованием дальнеrо порядка. Здесь при- вычная последовательность событий меняется на обрат.. ную. Металл криста.т.лизуется не при охлаждении, а при иаrреве, причем тем быстрее, чем выше температура. Если зависимость времени, необходимоrо для начала кристаллизации, от температуры экстраполировать к +20 ос, то получится, что при комнатной температуре u самое неустоичивое металлическое стекло может «жить» 200 тысяч лет. Таким образом. аморфные сплавы «боятся» иаrревов, но вдали от опасноrо района температур MorYT нести СЛУ1Кбу практически неоrраниченное время. , Какие же свойства аморфных сплавов особо ценны для техники? Как и ожидалось, аморфные металлы  во мноrих отношенияХ отличаются от своих кристалличе- ских собратьев. Хотя модули упруrости при аморфиза.. ции снижаются в среднем на 30 % (силы межатомной связи уменьшаются), но прочность и твердость резко возрастают. Отсутствие дислокаций приводит к тому, что металлические стекла по прочнqсти превосходят самые 172 
лучшие леrированные стали (",,3000 МПа). Высокая ....:!  U " твердость определяет их великолепную износостоикость. правда, пластичность аморфныIx сплавов низка, что тоже можно было ожидать, так как «носителями» пла.. СТИЧIJОСТИ являются дислокации. Все же металлические стекла не так хрупки, как обычное стекло. Их МОЖНu, например, прокатывать при комнатной температуре.  /1# /IJ.. 47:' HCl. Рис. 101. ДруrQе важнейшее преимущество аморфных металли- ческих сплавов  их исключительно высокая коррозион- ная стойкость. Во мноrих весьма аrрессивных средах (морской воде, кислотах) металлические стекла вооб[Ц6 не корродируют. Например, скорость коррозии аморф" Horo сплава, содержащеrо железо, никель и хром, в растворе соляной кислоты практически равна нулю. Для сравнения можно сказать, что скорость коррозии «клас. u сическоrо» коррозионностоикоrо сплава железа с нике- лем и хромом (знаменитая нержавеющая сталь, которук) так и называют  «нержавейка») В той же среде превы- шает 10 мм/rод. Основная причина такой высокой корро- зионной стойкости аморфных сплавов, по-видимому, со- .стоит В том, что не имея кристаллической решетки, они лишены и характерных «дефектов» кристаллов........... ДИСЛО" каций И, rлавное, rраниц между зернами. Высокая плот- ность упаковки атомов в кристалле вблизи этих «дефек- 173 
тов» уменьшается столь резко, что ВДОЛЬ них леrко про- никают в металл «вражеские areHTbl». Важно, что без.. дефектная структура 8морфноrо сплава передается той тонкой окиской пленке, которая образуется на ero пе- верхности на начальных стадиях коррозионноrо процесса v И В дальнеипreм заnunцает металл от прямоrо контакта с carpeccopOM». Весьма интересным оказалось и сочетание некоторых физических свойств аморфных сплавов, в частности, Mar.. нитных и электрических. Выяснилось, что сплавы на основе ферромаrнитных металлов (железа, никеля) в аморфном состоянии также ферромаrнитны. В плане практическоrо использования ферромаrнит- БЫХ металлов важно их деление на «маrнитомяrкие» И «маrнитожеСТКие». Первые применяют, например, для сердечников трансформаторов  здесь нужно, чтобы ма.. териал леrко перемаrничивался (менял направление на.. маrничивания) при изменении направления тока, которое происходит 50 раз в секунду. Вторые трудно намаrни- тить, но зато их трудно и размаrнитить. Поэтому после намаrничивания они сами надолrо остаются источниками сильноrо маrнитноrо поля (постоянные маrниты). Маrнитные свойства материалов необходимо опреде- ленным образом сочетать с их электрическими свойст" вами. В частности, электросопротивление сердечников трансформаторов должно быть возможно более высоким, потому что индуцируемые при перемаrничивании «пара.. ЗИТНIJ!e» вихревые токи наrревают сердечник и пускают на ветер значительную часть преобразуемой электро- энерrии. Требования низкоro маrнитноrо и BblCOKoro электрическоrо сопротивления в обычных кристалличе- ских фер.ромаrнетиках очень трУДНО совместить. Но если маrнитные свойства аморфных и кристалли- ческих сп.павов различаются мало, то в «электрическо[ отношении» аморфизация приводит к качественно новой ситуации. В обычных кристаллических металлах даже вблизи температуры плавления средний пробеr электронов про- водимости между двумя столкновениями с решеткоЙ мажет составлять несколько десятков межатомныIx pac сrQВНИЙ. Такая большая длина пробеrа обусловлена пр.авильной периодичностью в 'расположении ионов. Аморфизация.устраняет дальний порядок и средняя дли на свободноrо пробеrа электрона сразу уменьшается АО 174 
нескольких 8HrcTpeM, Т. е. становится соизмеримой с меж.. атомным расстоянием. Представьте себе, как леrко пройти сквозь строй солд'Зт, если расстояние между шеренrзми достаТОЧНО- велико и они не слишком раскачиваются, и . v как трудно протиснуться в нашен «застывшеи» толпе людей. Итоr ясен........ электросопротивление аморфных сплавов rораздо Вtdше, чем кристаллических (обычно в 23 раза). С увеличением температуры обычных кристаллических металлов и сплавов их электросопротивление увеличива- ется, так как рост амплитуды тепловых колебаний решет- ки уменьшает длину свободноrо пробеrа электронов. Величину относ ител bHoro, прироста сопротивления при повышении температуры на 1 ос называют температурным Рис. 102. коэффициентом электросопротивления. У аморфных спла- вов этот коэффициент значительно меньше, чем у кристал- лических. Более Toro, он может быть даже отрицатель.. ным, так как при увеличении температуры происходит v некоторая релаксация атомнои структуры металличе- CKoro стекла (некоторая «утряска» атомов). При этом не..; большое увеличение степени порядка в расположении атом.ов перекрывает действие друrоrо фактора......... роста амплитуды их тепловых колебаний и в результате при 175 
повышении температуры электросопротивление уменъ- шается. Если вернуться к сердечникам трансформаторов, то будет ВИДНО, что замена обычной трансформаторной стали аморфным сплавом даст оrромную экономию энерrии. }\ США подсчитано, что потери на вихревые токи умень- liJ310ТСЯ при ЭТОМ В 4 раза, а экономия только на ОДНОAtI }13 видов СИJIОВЫХ трансформаторов состаВЛЯет 200 МЛН. ,itолларов в rод. Необычное сочетание маrнитных и злект- рических свойств металлических стекол позволяет с боль.. lLIИМ эффектом использовать их и для друrих преобразо- вателей тока, датчиков, сердечников разноrо рода реле. Успешным оказался опыт применения аморфных метал- u лов для rOJJoBoK маrнитнои записи, так как здесь нема- JI ую роль  иrрает их высокая износостойкость. Сочета.. Jiие износостойкости с коррозионной стойкостью позво- J1яет получить долrовечные и качественные лезвия для бритья и друrие подобные изделия. ПерспеКТИRЫ практическоrо использования аморф- Horo состояния металлов выrлядят очень внушительно еще и потому, что сейчас уже созданы методы аморфи- зации тонких поверхностных слоев массивных изделий. При воздействии на поверхность изделия мощноrо лазер- Horo или электронноrо луча удается в короткое время v о. U расплавить очень тонкии наружныи слои, которыи после v . прекращеllИЯ воздеиствия остывает с оrромнои скоро- стью за счет отвода тепла в толщу холодноrо металла. Таким образом, обычный кристаллический металл, ве.. роятно, можно будет надежно защитить от износа и кор. розни. 
rЛАВА 7 КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАJIЫ  МАТЕРИАЛЫ БУДУЩЕrо в этой небольшой r лаве, заключающей нашу книrу о металлах, речь пойдет об особом классе материалов, в котором металлы часто иrрают далеко не первые роли. Иноrда металлы вообще не ИСПОЛЬЗУЮТСЯ при создании таких материалов, т. е. они MorYT высту- пзть в качестве конкурентов материалам металличесим. Эrо ....... так называемые композиционные материалы. Ос- новную идею, используемую в этой области, один из пер- вых «композиторов» американский ученый А. ДИТЦ вы- разил следующим образом: «.. .овместная работа разно- родных материалов дает эффект,- равносильный созданию .. HOBoro материала, своисва Koтoporo и количественно и качественно отличаются от свойств каждоrо из ero со- СТ8ВЛЯЮЩИХ». Q@? i i>ис. 103. ( ЧитатМр, вероятно, уже почувствовал, что в мире материалов множество запретов, часть из которых вообще невозможно преодолеть. Например, нельзя превысить. теоретическую прочность, ньзя заставить металл нести 177 
 наrрузку при температурах, превышающих температуру ero ПJf8ВЛепип. Это, так сказать, безусловнъre «нельЗЯ». Нельзя получить больших упруrих деформаций, так . .. как вступают в деиствие механизмы пластичности, нельзя получить больших пластических деформаций, потому что срабатывают механиз разрyruения, нельзя устранить остаточную деформацию без UOBoro деформационноrо воздействия, поскольку она необратима по своей при- роде. Это уже такие «нельзя», С .которыми мы В силах бороться методом «если очень хочется, то можно». Трудно совмести1Ъ требования высокой прочности 11 . высокои пластичности, так как в одном случае нужно, чтобы дислокаций не было или 'чтобы они .были непод.. вижны, а в. друтом ......... чтобьr они были подвижными И леrко размножзJ1ИCЬ. С подобными трудностями можно бороться методоt компромисса, хотя это и не радикаль- ное решение проблемы. Есть MHOrb- труДностей и чисто инженерпоrо харак" тера. Одна из них особенно MHoro забот вызывает у соз.. дателей авиационной и космической техни'ки. Это  проблема соотн{)шенин прочности и плonrocти материа- лов, проблема экономии веса, lIOТOp"8Я имеет важное зна" чение и на Земле. А J. Очередное самоуби йство в фантастических романах ltl0ЖНО встретить множество проектов, связанных с пробуриванием Земли насквозь или строительством лестниц, достающих ДО Луны. Есть близкие по смыслу примеры и в реальной жизни. Рассмотрим один из них. При добыче нефти издавна используется метОД ОТ- качки: насос опускают в скважину, а ПрИВОД ero (<<ка-. чаJIКa», которую каждый ВИДeJI хотя бы в фильмах о неф- тепромыслах) находится на поверхности. Движение ка- чалки передается насосу через' колонну IПТ8нr ...... длин- ных стальных стержней, соединенных между собой муф- тами. Чем длиннее колонна, тем оольшая наrрузка при- ходится на верхнюю штанrу, так как вес колонны про.. порпионален ее длине. Но верняп штанrа может выдержать лишь такое н ап ря:arени е, которое не пре- вышает предела прочности стали, используемой ДЛЯ' иэrотоВJIенив wтaHr. 118 
Человек в поисках нeфrи «зарывается» все r лубже и rлубже в зеМJlЮ. Колонна штанr должна удлиняться, на- rpY3Ka на верхнюю штанrу растет. Попробуем заказать метзллурrам шrnн.rи из более прочной стали. «Нет,  отвечают мет8JlJIурrи,  резервы прочности стали исчер- u .паны; если взше изделие не выдерживает заданнои на- rрузки, мы можем изrотовить для вас штанrи большеrо диаметра». Что же, и на том спасибо. Площадь попереч- Horo сечения значительно возрастет, так как она про- u порциональна квадрату диаметра и при тои же прочно- сти верхняя штанrа выдержит вес более длинной колонны.  о о .. , ;,' ....;.: :.--::.: ...:......., ..._. .... .".. .... . -.'''. ..-, -. /' Рис. 104. Но стопl Ведь возрастет сечение и всех остальных штанr их вес и вес всей колонны увеличится точно в той же пропорцки, в ка'кой увеличится площадь сечения. Зна- чит, 1'аким образом решить проблему не удается: 10.......... 15 км  вот предел длины колонны из обычных сталей. 179 
. , Конечно, можно искать выход в уменьшении сечен"а коЛонны по мере удаления в rлубь Земли, но на этом nYT неiало технических трудностей, а rлавное  штанrи' v ' должны выдерживать не только свои вес, но и переда вать. уилие от качалки насосу. Здесь уже начнутс об- рывы по принципу «rде тонко, там"и рвется», тонкие штанrи не выдержат рабdчеrо напряжения. Этот пример показывает важность такой характери- стики материала, как отношение прочности к удельному весу. Чем выше ЭТО,отношение, тем с больших rлубин мы с{ожем откачивать нeфrЬ. В авиации и ракетострое- нии эта проблема стоит не менее остро. Если не хватает прочности материала, чтобы он ,Mor выдержать расчетную наrрузку, приходится увеличивать площадь сечения дета- лей а значит и их вес. Чтобы оторвать от Земли более тяжелый корабль, нужен болеемощный двиrатель, KOTO рый, естественно, сам будет иметь большие rабариты и больший вес. Для ero работы отребуется больший запас топлива, которое тоже имеет вес и т. д. Одно осложнение вызывает друrое, получается  замкнутый Kpyr,  ИЗ кото- poro только один выход  нужны материалы с большей удельной прочностью, с большей прочностью на единицу веса.   2. YnpyrOCTb и ПроЧНОСТЬ измеряются в километрах I Если разделить ПрОЧНОСТЬ Оп материала иа ero удельный вес d, то полученная величина будет иметь размерность длины: [  ]:[  ]==M. Самыми удобными единицами измерения величины (JJJ/d оказались километры. Леrко сообразить, что (Jk/d харак- теризует как раз ту предельную длину нашей колонны, при которой она еще не разрывается под действием соб- cTBeHHoru веса. Это epa СКЛОННОСТff материала к очеред- ному виду «самоубийства». Во мноrих случаях для конструкторов важна и дру-- rая удельная характеристика......... отнощение модуля упру- rости к удельному весу. Если прочость материала очень высока, то он сможет выдержать значительную упруrую деформацию, величина которой при заданном расчетном 180 
напряжении определяется модулем упруrости. Напри- мер. усы или тонкие стеклянные нити, как мы знаем, выдерживают относительную упруrую деформацию 5........ 7 04. Но большие упруrие деформации в конструкциях часто недопустимы по принципиальным соображениям. '\ Рис. 105. Конструкция потеряет жесткость. это хорошо видно ИЗ рис. 105: такую штанrу трудно поднять даже очень сильному атлету. t 3. ПреДПОСЫЛКИ для композитора Moцap  он же reКИЙ. Как ты да В. А reниl и злодеlство..... Две вещи несовместные. Не правда пь? А. с. Пушкин. «Моцарт И СаЛftери. Чем же может руководствоваться компози- тор, сочиняющий свои произведения в области материа- пов? Поде деятельности здесь orpoMHo. Взяв любой справочник по материалам, мы убедимся, что все вместе 181 
они охватыIаютT колоссальный диэпа-зон СВОЙСТВ. Среди металлов, захвативших более 2/3 тамиu.ы Менделеева, есть так-не, которые ПJIавятся при температурах ниже О ос и выше 3000 ос, которые имеют модуль упруrости около 5.1-03 И более 5.. 105 МПа и, соответственно, на 2 порядка различающуюся теоретическую прочность. Еще боrаче разнообразие свойств в оставшейся трети си... стемы элементов. А какое множество химических соеди" нений существует в природе ил может быть получено в искусственных условиях. И каждое из них со своим u диапазоном своиств. Рис. 106. Так что выбор материалов для композиций очень боrат. 3.здачз. лишь в T() чтобы совместить несовмести- мое, чтобы заставить работать вместе «rений И злодей- ство», «лед и пламень»........ материалы с резко различаю- v щимиея СВОИСТВ8МИ. Распространенный. пример компоsиционноrо мате- рйал.а......... железобетон. Известно, что бетон. плохо рабо- 182 
тает на РllСТJlжение (он хрупок), а, при СЖ8-rии может выдерживать большие напряжения. Если сделать из бе.. тона фундамент, то все будет в порядке. Но строительные конструкции часто .несут ИЗfибающие наrрузки; при этом внешние слои деталей растяrиваются. Если при изrотовлении железобетона предварительно растянуть стальные -армирующие стержни, то после застывания и снятия внешней силы бетон будет препятствоватъ упру- rOMY сжатию арматуры.  В результате в стальной части композиции будут дей- ствовать растяrивающие остаточные напряжения, а в бе.. тонной части....... сжимающие. Эти остаточные напряже.. иия действуют совместно с напряжениями от рабочих nаrрузок при эксплуатации материала. Значит, теперь балка сможет выдержать большую изrибающую наrрузку. Ее можно спокойно увеличивать до тех пор, пока растя.. rивающее напряжение во внешних слоях не превысит остаточноrо сжимающerо напряжения в бетоне. Стали же дополнительные растяrивающие напряжения не страшны. Чаще при создании композиционных материалов ис- пользуется друrой принцип. ОбрlЧНО композиционные ма.. териалы представляют собой мяrкую пластичную мат.. рицу, в которой размещены волокна или слои проч.. Horo И, чаще Bcero, более хрупкоrо материала. Экспе.. рименты показывают, что прочность пучка параллельных волокон обычно ниже средней прочности отдельноrо во.. локна. Причина этоrо....... в неоднороднQCТИ рас пределе.. ния напряжений в пучке. Небольшое различие в длине волокон сразу вызовет разлад в их совместной работе. Более короткие выйдут из строя первыми, коrда напри.. жение в более длинных будет еще довольно низким. Коrда придет черед длинных, часть волокон уже будет разорвана, значит, им нужно будет принимать на себя большие напряжения. Если же поместить волокна в пластичной матрице, то она будет иrрать роль посредника, равномерно рас.. I пределяя наrрузку между прочными волокнами. Здесь, конечно, BaHЫ соотношения модулей и пределов упру.. ости матрицы и волокон, прочность ИХ связи, объемная доля волокон в композиции. Интересно в частности, что прочность композицион- Horo материала немонотонно изменяется с ростом доли сечения, занятой прочными волокнами (рис. 107). Коrда 1Ы начинаем вводить волокна в .матрицу, то ее прочность 183 
вначале снижается.  При малой ДOJlе волокон они На- столько разобщены, что вообще не принимают уqастия в деформации материала, работает только матриuа. Вместе с тем присутствие волокон ослабляет сечение O рзэца ........ это как бы пустыe места, отверстия, не несущие 08 Матрицы о 08 80JlОННО; о о ... доля воланна 100% Рис. Н)1. 184 
наrрузки. И только, начиная с определеннqrо критиче- CKoro содержания волокон в композиции, они принимают на себя роль прочноrо скелета, а матрица лишь передает напряжения от одноrо BOJIOKHa к друrому. Волокна не обязательо должны быть непрерывными. Существует понятие критической длины волокон. Если она не меньше определенной величины, то композицион- ный материал лишь незначительно уступает по проч- ности композиции С непрерывными волокнами. При создании композиционных материалов возникает MHoro друrих проблем чисто научноrо характера, но rлав- ная трудность....... технолоrическая. мы не будем сейчас обсуждать вопросы стоимости композиционных материа.. лов, производительности arperaToB, выращивающих «усы» И тонкие волокна для армирования, сложности при их 'соединении с матрицей и т. д. Скажем лишь, что хотя u некоторые виды композиции уже давно используются в технике, и применение этих материалов постоянно рас- IJJl1РЯется, все же их следует считать пока материалами будущеrо. По проrнозам специалистов композиционные материалы составят серьезную конкуренцию сталям и друrим металлическим сплавам в различных областях машиностроения лишь к концу нашеrо столетия. Закончим этот раздел и всю книrу двумя таблицами, иллюстрирующими возможности материалов будущеrо, и небольшим комментарием к ним. Отнесемся к табл. 2 со внимание, она позволяет сделать ряд важных вы.. водов. . Во-первых, сталь' даже в виде очень тонкой прово- локи оказывается в удельном выражении самым непроч- ным (On/d) и самым нежестким (E/d) материалом из пере- численных. В больших сечениях хорошая конструкцион- ная сталь при ТОМ же удельном весе имеет ОП  103 МПа, а ультравысокопрочная ......... ОВ  (2 + 2,5). 103 МПа, сле- довательно, оп/d для стальных изделий с площадю се- чения несколько квадратных миллиметров и более со- ставит лишь 20........30 КМ. Во-вторых, отпущенный природой резерв прочности сталей использован в большей мере, чем унеметаллов. Ведь модуль упруrости бора, уrлерода вдвое выше, чем у стали, а достиrнутая пока прочностъ (ОВ).......... такая же. Если в качестве армирующих волокон в буду- щем можно будет использовать «усы» этих материа.. ЛОВ, ТО их преимущества еще более возрастет. На- 185 
C'-I .о   ::s се  О t:f О .. C::>8C08C ::f = :Е=: = c:t; с> с> О <::> t::: 210 C'Q(.ОIr---C'J<":> е:: \о ="'" tO""'8tCcr.>c  се ..0>-  ......  со O- ..... E--t cu&:: tC E--t 8:{  ::s o: Ifj а3 .. О C'J =.0 1CC"JC......OOO .of-o t;:u JЦ)J (1)0 8:{= g  о ..... Q, t::: .  Q, .е СttЗ' <::>  о c::><::>clc8 ..... .а :s: . 00 Н') <::> <::> 00 t:;r- .....C'-Ir---  и!:: r:t0 ...... . о"'" Q 11  е; ф  е; 1 :=  :r С. == О .. С') ...... tf':) 41 С. t:) 6 1"'1fj-- 00... 1"'  N..1 ...  ....  t- t:; .. · :s aS Q) ==  C"'I CQ  8:{ r- t:: ll')  cr,) н (1) u  cf':) .... ... :!  Q,o ..... t::= :r: == = s с !2 с)'" ==  фО ::1 с.. "7 ..... := t.S:" "' '!':) т := 212 О>С:>tCtC"'tCФ С  =:S r-..: .. C'ci' ..-4'" I ci..... "' t:: С. .о'"  :& со t:;:I: C"\J'" с (1) :.= aS t:{ · 10  tO ... u 11 .: i-e Q u =  8 <::> <::> e:s: tC <::> с (.J 1-0 .....0..... C'J 11 Q):S  I tC I I I ............ (.J  OC'-l<::> с> t::{ 1.Q О 1с ..... t;: «1 =: р, Q) ... «1  ('\1 ==  О  O =:s:t:Q ==:I:c1) =:е= ::SQ) $2 о.. и e::::C=Q)  tr :s: of-o .,a..c:S:::r: :S: 2 f-oeao..o uOOUt.-  О Q. Q)  J,.  ......... 186 .а ::s 8 t:f о .. ....... ::Е=: <::>°8 c <::>r--- c:t; 00 000...... ;:i50 ooo..,.""(o =""" оф О"'" LQ .0>- ..... ..... е:;О- а> Q)C  8:{>. :>.. 2  о:: «1 .. о:> =.0 .01-0 tC C) 1<::>0:>..........0) cuO с:о <о  00 00 8:{= tC g Ifj о- с и" 01 f,..o >-'7 с> р'«1  t:t:: <::>OOtt:).r--C'J >. N.....С\?r---1 .а ,C' О е:; .. >.ttЗ  8:{ ..... о ..   1" I gb =.... cr ·  0«1 Q..t:: ... C I (,о... "'.........   ..... ..... ..... ..... .....  . C'J CUCQ ... :t; ..... Q, .. t::= f-o .. С)'" Cl.)O "7 aes::" CtCNOO-(х) 00 212 N<::>CC\?1f) =:S c'i c'i ci С\1"' ........  .а" е:;:З: CI) 8:{ ·   «1 :s:: F- Q, :S:  e:s: :1:: :s:==к=  «1   0= :I: :s: и О :s: :s::s:tt ==ceccs   01:::; t:::I:t:: t'OO CCSQ.> t..1:::; OOO rдrдuo 
Рис. 108. пример, ав тонких прозрачных «усов» сапфира........ окиси алюминия ---- превышает приведенную в таблице цифру в 15 разl Проблема соединения тонких и сравнительно КОРОТ- u u ких «усов» В единыи композиционныи материал сложнее, u чем создание композиции из непрерывных тонких во- локон.' Набор таких непрерывных волокон пропиты- вается тем или иным связующим веществом ......... и компо- зиция rOTOBa. Наиболее распространенные сейчас ком.. позиционные материалы состоят из стеклянных, орrани- ческих, уrольных или борных нитей в полимерной мат- 'рице. Наполнители (полиэфирные смолы и др.) должны быть леrкими и по возможности прочно соединять арма- туру/ в единое целое. Есть композиции и на основе 1e- таллических матриц. Свойства некоторых из современных композиционных материалов приведены в табл. 3. Видно, что попытка «впрячь В одну телеrу» различные по свойствам материалы уже сейчас увенчалась большим успехом. Удельная прочность самой лучшей стали пре- вышена в 2.......3 раза, удельная жесткость..... в 35 раз. 187 
Из боро- и уrпепластиков иэrотавливают отдельные де. тали самолетов и ракет, спортивный инвентарь...... неве-' . сомые велосипеды, теннисные ракетки, хоккеиные клюш- ки  MHoroe друrое. «Автомобиль будущеrо», целиком изrотовленный из композиционных материалов, станет леfче на одну треть. Корпус «самолета будущеrо» тоже станет леrче на 30 " ЧТО позволит снизить вес двиrа- телей и rорючеrо, а полезную наrрузку увеличить втрое. В заключение отметим, что композиционные мате- риалы уже побывали на Луне. Потолок кабины экипажа лунноrо модуля был изrотовлен из стеклопластика на основе кремнийорrанической смолы, а лестница и, пло- lцадка для входа и выхода- космонавтов....... из эпоксидных стеклопластиков. 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ Итак, подошел к концу наш рассказ о са- мых обычных и самых необычных свойствах обыкновен- IiЫХ металлов. В своих попытках улучшить то или иное свойство металла мы Ml;loro раз заходили в тупик. Каза- лось, сама при рода не позволяет двиrаться дальше, но каждый раз находился какой-нибудь ВЫХОД из положе.. ния. В результате мы узнали, что такое «сверхсвойства» :металлов ....... сверхупруrость, сверхпластичность, сверх- прочность, 'сверхестественная память. Мы узнали, какие интересные возможности сулит использование' этих u 'u «сверхсвоиств» И какие из этих возможностеи уже реа- лизованы. Одни и те же металлы среди друrих металлов в каком-то отношении MOI'YT быть rуливерами в стране лилипутов, а в каком-то друrом  карликами среди ве.. ликанов. Если представить все разнообразие возможных СВQЙСТВ металлов и сплавов на одной диаrрамме дефор- мации, то такая диаrрамма при соблюдении масштаба u не поместится ни воднои книrе. Однако и эдесь есть выход: отложим на осях лоrа- рифмы напряжения и деформации (рис. 109). Лоrарифми- рование сжимает масштаб по осям......... каждое деление теперь соответствует изменению напряжения и деформа- иии в 10 раз. Металлические «усы» (1) обладают сверх- прочностью, так как они имеют rладкую поверхность, малое сечение и практически не содержат дислокаций. По этой же причине они не способны к пластическоЙ деформации, и их преДeJI упруrости совпадает с преде- лом прочности. В результате их деформация вплоть до разрушения остается чисто упруrой и достиrает несколь- ких проuентов. В ЭТИХ отношениях они, конечно, выrля- дят «суперменами» по сравнению с обычными поликри- сталлическими металлами и сплавами, самые прочные из которых имеют Оупр  1()3 МПа, и ов (2 + 3) .1ОЗ МПа при остаточном удлинении ер меньше 10 % (2), а самые пластичные........ Оп не более (2 + 3) .102 МПа, а Ер   50 % (3). Предельная упруrая деформация таких 189 
металлов....... ДОЛИ процента. Но и. среди них есть свои. rиrанты (4)......... сплавы, проявляющие сверхупруrоеть (B;C  10 %), которые обладают, кроме Toro, колос. сальным внутренним трением (<<немые» сплавы). Эти же сплавы MorYT запоминать форму, т. е. самопроизвольно деформироваться при HarpeBe в обратном направлении, причем объем их памяти также orpOMeH (8  10 %). 19o (о, МПа) 3 4 / 2 4 "",/1 I ....-"'" / / --- --- --- --- I ""...- / I 1 I I I I I I 5 О / I / 1 I I I ..... 1 D j 2 J 1ge (е.Х) Рис. 109. Даже самые пластичные из обычных металлов не бо- лее, чем карлики, по сравнению с теми же металлами в сверхпластичном состоянии (5): пластичность увеличи- вается примерно на 2 порядка и составляет тысячи про- центов. Эrи orpOMHbIe деформации можно получить при напряжении, составляющем сотые доли от прочност обычных металлов и тысячные доли  от ПрОЧНОСl'lI усов. Таким образом, резервы свойств металличких ма- териалов необычайно разнообразны и велики. В аморф- НОМ состоянии они MorYT приближаться по прочности 190 
к «усам», обладают великолепной коррозионной стойко- стью и друrими ценными качествами. В составе матриц композиционных материалов металлы MorYT успешно ра- ботать при температурах, приближающихся к темпера- туре плавления. Весьма разнообразные сверхсвойства металлов можно использовать и в caмыx разных сочетаниях друr с дру- rOM. Например, аморфными металлами можно армиро" вать леrкую и пластичную матрицу, а применение сверх.. пластичных металлических матриц позволяет решить ряд сложных технических вопросов при приrотовлении композиционных материалов с прочными, .НО хрупкими волокнами бора или уrлерода. Совместное использование эффектов сверхупруrости и запоминания формы откры. вает новые возможности в технике, медицине и т. д. Во мноrих из тех явлений, о которых шла речь в этой книrе, сеrодня еще MHoro неясноrо. Ясно лишь одно......... будущее за «сверхметаллами»', так как обычные металлы работают сейчас на пределе своих возможностей. Поскольку в исследовании и в использовании необыч.. ных свойств обычных металлов последнее слово еще не сказано, нам остается надеяться, что ero произнесет кто. то из наших молодых читателей. 
ВладUAlир Александрович Заt1мовскut1 ТатьянаЛеонuдовнаКолуnаева НЕОБЫЧНЫЕ СВОАСТВА ОБЫЧНЫХ МЕТАЛЛОВ (Серия: Библиотечк «Квант») Редактор л. А. Панюшкuна Технический редактор Е. В. Мороэова l(oppeKTOp л. С. СО.4t.Oва ИВ М 12528 Сдано в набор 05.09.83. Подписано к печати 02.04.84. Т-О7986.. Формат 84Х 1081/11. Бумаrа книжно-журнальная. Литературная rарнитура. Высокая печать. Уел. печ., л. 10,08. Уел. кр....отт. 10.0. )"Ч.-ВЭД. л. 10,01. Тираж 120 000' 9К3. Заказ И. 1094. Цена ЗО коп. Издательство «Наука» rлавнав редакция физико-математическоА лнтературы 117071, Москва. В-11, Ленинский проспект, 15 Ордена ОКТRбрьекоА РеволlOции, ордеиа Трудовоro Красиоro Знамени Л нииrpадское производственно-теХRическое объединение «Печатный Двор:. имеви А. М. rOpbKoro Союзполнrрафпрома при rосударствеином комитете СССР по делам издательств, полиrрафии и книжной Toproau. 197136. Ле- иинrрад, П-136, ЧкаловскиА пр.. 15.