Прочность

Этот перечень можно было бы продолжить, но и так ясно, насколько многолико понятие о прочности. От каких же причин зависит прочность металла? Причины эти известны уже давно. «Весь процесс обработки металла определяется только кристаллами, из которых сложен металл»,— писал Д. К. Чернов. В кристаллах и разгадка прочности.

Мы знаем, что все вещества состоят из атомов. Однако в подавляющем большинстве веществ атомы располагаются не в произвольном, а в очень строгом порядке — так, чтобы находиться возможно ближе друг к другу. Но не вплотную, этому мешают межатомные силы отталкивания.

Попробуйте произвести такой опыт: возьмите восемь шариков от настольного тенниса и расположите их так, чтобы они занимали как можно меньший объем. Очень скоро вы убедитесь, что для этого надо из шариков сложить правильную геометрическую фигуру — куб. Правда, этот опыт несовершенен: при большем количестве шариков возможны и другие, более плотные их «упаковки». Они тоже представляют правильные объемные геометрические фигуры, но более сложной формы. Несовершенство нашего опыта еще и в том, что сложенные шарики не держатся, рассыпаются. Они ведь практически не притягиваются друг к другу. А вот атомы притягиваются. Но только до определенного расстояния. Если сблизить их еще больше — они начинают отталкиваться. В результате атомы размещаются так, чтобы силы притягивания и отталкивания уравновесились. При этом в каждом веществе атомы образуют свою, присущую только этому веществу объемную геометрическую фигуру. Если мы нарисуем, как располагаются, скажем, несколько атомов железа, и соединим их воображаемыми линиями, то получим некую объемную клетку. Это так называемая кристаллическая решетка, или элементарная ячейка. В ее узлах и находятся атомы. Эта решетка изображена на рисунке.

Вот из таких элементарных ячеек и состоят кристаллы. Если сравнить кристалл со зданием, то ячейка — один кирпич. Каждый кристалл, сложенный из ячеек, представляет собой как бы зернышко. Когда расплавленный металл застывает, то кристаллизация начинается с образования таких зернышек. Сцепляясь друг с другом, они и образуют структуру металла. Но беда в том, что затвердевание металла начинается одновременно во многих местах и зернышки растут в разных направлениях. Представьте себе дом, в котором кирпичи сложены как попало: правильными квадратами, веерами, зигзагами... Недолго простоит такое сооружение. Нечто подобное происходит и при затвердевании жидкого металла. Кристаллические решетки в зернышках оказываются повернутыми друг к другу под разными углами. А это не обеспечивает достаточно прочной связи между ними. Вернемся еще раз к нашему дому из кирпичей, положенных кое-как. В пустоты между кирпичами обязательно будет забиваться грязь, пыль, попадать вода. И все это будет постепенно разрушать кирпичи, ослаблять их сцепление друг с другом. А в металле на границах зерен обычно скапливаются различные посторонние примеси и газовые пустоты. Все это еще более ослабляет связь зерен друг с другом. Вот почему плохо очищенный металл легко разрушается под нагрузкой.

Уже несколько тысяч лет металлурги знают, как важно не допускать посторонние примеси в металл. Но только в наше время, после работ Чернова и других ученых, стало ясно, насколько же сильно посторонние примеси ухудшают свойства металлов. Например, никель в чистом виде очень пластичный материал. Но достаточно к нему подмешать 0,005 процента серы, чтобы никель сделался хрупким. Так же и железо. В химически чистом виде оно пластично даже при температуре жидкого гелия — 269°С. Однако достаточно примеси 0,0001 процента водорода, чтобы железо стало хрупким даже при плюсовой температуре! Ничтожные примеси углерода делают хрупкими вольфрам и молибден. А свойства германиевого полупроводника изменяются даже тогда, когда имеется хотя бы один атом примеси на миллиард атомов германия!

В начале 30-х годов нашего столетия ученые задумались: а какова должна быть прочность абсолютно чистого металла? Это был отнюдь не теоретический интерес. Как известно, абсолютно чистый металл создать невозможно: какое-то количество примесей всегда будет. Но если знать, какую прочность должен был бы иметь абсолютно чистый металл, то можно заранее вычислить прочность металла с той или иной степенью загрязнения. А это неоценимо для практики: в зависимости от назначения изделия можно заранее рассчитать технологию изготовления металла с максимально допустимым количеством посторонних примесей. Иными словами, всегда можно изготовить металл самым экономичным способом.