1 ВПЛИВ ДЕФЕКТІВ БУДОВИ НА ВЛАСТИВОСТІ МЕТАЛІВ1.1 Теоретична і технічна міцність
Широке використання металів у сучасній техніці пов'язане з тим, що вони мають комплекс механічних властивостей: хороші пластичність і в'язкість поєднуються у них з високою міцністю, пружністю і твердістю. Дослідження природи властивостей металевих матеріалів показало, що більшість найважливіших властивостей у різних умовах навантаження залежить від особливостей тонкої кристалічної будови.
Під технічною міцністю розуміють опір реальних тіл пружній і пластичній деформації та руйнуванню. Технічну міцність визначають експериментально. Теоретичну міцність визначають з умов деформації або руйнування в пружній області ідеальних ґраток монокристала, в якій дії зовнішнього навантаження протистоїть міжатомний зв'язок. Міцність міжатомного зв'язку в кристалах є основним фактором, що визначає опір деформації і руйнуванню металів.
Енергія міжатомного зв'язку в металах є роботою дисоціації металевого кристала при абсолютному нулі на газ позитивних іонів та електронів.
Загальна потенційна енергія U взаємодії іонів та електронів (енергія зв'язку) є функцією міжатомної відстані й для твердого стану може бути подана напівемпіричним виразом вигляду
,
де А і В – константи; r – атомний радіус.
У цьому рівнянні член А відповідає енергії електростатичного тяжіння між позитивними іонами та електронами, а B/r2 – кінетичної енергії електронів, що обумовлює дію сили відштовхування у кристалі.
Сила зв'язку ?, що характеризує чутливість загальної потенційної енергії системи атомів до зміни міжатомної відстані, дорівнює похідній енергії за міжатомною відстанню:
? = -(dU/dr)
Залежності потенційної енергії і сили зв'язку від міжатомної відстані подані на рис. 1.1 і 1.2.
а б
Рисунок 1.1 – Залежність потенційної енергії (а) і міжатомної сили зв'язку (б) від міжатомної відстані r: I – енергія відштовхування; II – енергія тяжіння; III – сила тяжіння; IV – сила відштовхування
Рисунок 1.2 – Залежність міжатомної сили зв'язку від міжатомної відстані r
Максимальне значення міжатомної сили зв'язку ?maх у точці r1 і є теоретичною міцністю при розтягуванні, розрахунок якої на одиницю площі наведений нижче за Н. Петчем.
Початкову ділянку кривої на рис. 1.1 б і 1.2 можна приблизно подати співвідношенням
.
Роботу, витрачену при руйнуванні на розділення двох атомних площин і віднесену до одиниці поверхні (відповідає заштрихованій площі на рис. 1.1 б і 1.2), можна приблизно подати такою формулою:
.
Ця робота дорівнює поверхневій енергії 2U двох поверхонь, що знову утворилися. Таким чином,
.
Із співвідношення ? випливає, що
,
оскільки в даній частині кривої .
Оскільки для початкової ділянки кривої за законом Гука
,
то
.
У той же час із раніше одержаних виразів маємо
.
Використовуючи дані співвідношення, можна записати, що теоретична міцність при розтягуванні
.
Теоретична міцність кристалічних тіл, обчислена за зазначеною формулою, як правило, в сотні разів перевершує значення міцності металів.
Однак вивчення міцності при розтягуванні ниткоподібних кристалів (вусів), проведене останнім часом, показує, що вони володіють міцністю, яка наближається до теоретичної, – від 7·103 до 14·103 МПа. Наприклад, міцність при розтягуванні ниткоподібних кристалів заліза становить 13360 МПа, міді – 3020 МПа, цинку – 2250 МПа, міцність тих самих металів, одержаних звичними методами, відповідно становить 302,2 і близько 180 МПа.
Теоретичні розрахунки опору зрушенню також показують величезну розбіжність із результатами експериментальних досліджень.
Невідповідність між теоретичною і фактичною міцністю кристалічних тіл є результатом того, що внутрішня будова реального металу відрізняється від ідеального.
Кристалічні ґратки реального твердого тіла мають багато дефектів, відхилень структурних елементів від правильного положення.
Для звичайних умов отримання металу дефектність і неоднорідність зерен – явища нормальні та практично неминучі. При розрахунку теоретичної міцності не враховуються структура металу зі всією її недосконалістю і пластична деформація, яка часто передує руйнуванню.
Для кількісної оцінки енергії і сил міжатомного зв'язку в кристалічних тілах можуть бути використані енергія сублімації, середня квадратична амплітуда теплових коливань, температура плавлення, характеристична температура (температура Дебая), параметри дифузії, пружні сталі й інші фізичні величини. Однак під час вирішення проблеми міцності не всі вони рівноцінні, оскільки по-різному пов'язані з механізмом пластичної деформації і руйнування металів.
Глибокий аналіз цих величин і можливості використання їх для оцінки міцності міжатомного зв'язку, проведений С. Т. Кишкіним, К. А. Осіповим, показує, що немає однозначної кількісної залежності між міцністю кристалічних тіл і якої-небудь із цих фізичних величин, прийнятої за міру міжатомного зв'язку. Це обумовлено тим, що міцність є структурно-чутливою властивістю матеріалу в пружній і пластичній областях.
Однак, незважаючи на те, що не спостерігається однозначної залежності між опором пластичної деформації, опором руйнуванню і величинами, що характеризують міжатомний зв'язок, усе ж таки можна відзначити певну тенденцію збільшення міцності з підвищенням температури плавлення або енергії зв'язку.
, 
. 
. 
. 
, 
.
, 
. 
. 
.