Разгадка поведения металлов

Металл состоит из множества тесно сросшихся зерен. Каждое из них под влиянием внешней нагрузки испытывает деформацию.
Что же происходит при этом с зерном-кристаллом?
Пока нагрузка не превзойдет предела упругости, под действием ее атомы кристалла лишь немного сдвигаются из положения равновесия в узлах «решетки». Их взаимодействие не нарушается. Как только нагрузка будет снята, они снова возвратятся в прежнее положение. Никаких постоянных изменений в структуре кристалла не произойдет. Но вот нагрузка превзошла предел упругости. В металле возникает пластическая деформация, сохраняющаяся и после удаления нагрузки.
Почему же испытываемый образец не возвращается к прежней форме? Не изменилась ли структура его зерен?
Исследования показали, что пластическая деформация — следствие сдвига частей кристалла. Смещаются очень тонкие слои — «пачки скольжения». Сами эти пачки подвергаются только упругой деформации, то есть атомы их решетки по удалении нагрузки возвращаются в прежнее положение.
В тончайших же слоях между ними — «плоскостях скольжения» — некоторые атомы срываются из узлов решетки. Но через короткое время они снова возвращаются на свое место, и межатомная связь восстанавливается.
С увеличением нагрузки сдвиг возникает в огромном большинстве зерен, металл «течет». Но как только атомы, сорванные со своих мест в решетке, снова возвращаются туда, он «упрочняется».
Способностью металлов «течь» современные техники воспользовались для получения твердых сплавов.
Смесь очень тугоплавких металлических веществ подвергают большому давлению при температуре хотя и высокой, но еще далекой от точки плавления. Через некоторое время смесь порошков превращается в сплошной кусок твердого сплава.
Что же произошло с частицами порошка?
Под большим давлением при повышенной температуре зернышки порошков испытывают «течение». Их можно тогда сравнить с каплями жидкости. Подобно жидким каплям, но оставаясь в твердом состоянии (металл в процессе «течения» не становится жидким), они сливаются и образуют монолитное тело.
Разгадав тайну пластической деформации, в дальнейших исследованиях ученые столкнулись с новой загадкой — ползучестью металлов. Оказалось, что при нагрузке, не превышающей предела упругости, но действующей очень длительное время, также наблюдается пластическая деформация.

Плоскости скольжения при деформации кристаллика.



Чтобы эта деформация возникла в металле, нагрузка должна быть не меньше определенной величины. Но некоторые тела испытывают пластическую деформацию под действием очень небольших длительных сил. Таковы асфальт, сургуч и другие так называемые «твердые жидкости».
Сургучная палочка, положенная концами на опоры, только под влиянием собственного веса со временем прогибается. Однако в любой момент она представляет собой твердое тело и в течение не слишком больших промежутков времени выдерживает значительную нагрузку.
Подобные свойства имеет и асфальт. Из него можно сделать камертон, издающий при легком ударе звук. Брошенный на каменный пол, асфальт разбивается на остроугольные куски. Значит, асфальт — твердое тело. Однако под длительным действием слабых сил он ведет себя подобно жидкости. Куски асфальта, сложенные в воронку, сливаются, образуя гладкую горизонтальную поверхность. Из отверстия воронки «вытекает» струя, под отверстием на столе образуется натек. Но и «струя» и натек при ударе разбиваются на куски.
Описанные свойства сургуча, асфальта и тому подобных тел объясняются тем, что их атомы не образуют кристаллических решеток. Подобно частицам жидкости, они беспорядочно смешаны и могут перемещаться относительно друг друга.
В «твердой жидкости» все атомы обладают свободой передвижения, скорость которого зависит лишь от ее вязкости. Только вязкость и мешает куску асфальта на доске разлиться, как это происходит с водой.
Однако и у кристаллических тел наблюдаются явления, заставившие ученых задуматься над тем, не пере мешаются ли самопроизвольно и их атомы?
Давно замечено, что если хорошо отшлифованные золотая и медная пластинки тесно соприкасаются, то с течением времени в золоте появляется примесь меди, а в меди — золота.
Значит, атомы золота и меди обладают способностью передвигаться и проникать в соприкасающиеся пластинки этих металлов. Это явление вполне подобно диффузии, то есть постепенному смешиванию соприкасающихся жидкостей.
Способность атомов покидать кристаллическую решетку доказывается и испарением твердых тел. Вблизи кусочка твердого йода серебряная ложка чернеет: его атомы рассеиваются в окружающем пространстве и соединяются с серебром. Ложка покрывается тонким слоем темного йодистого серебра.
Точные наблюдения доказали, что над поверхностью любого металла всегда есть и его очень разреженный пар. Если откачать этот пар, то он снова поднимается с поверхности металла.
Что же позволяет атомам металлов покидать кристаллические решетки? Ученые уже объяснили это загадочное явление.
Атомы твердого тела взаимодействуют друг с другом. Их кинетическая энергия передается от одного атома к другому. При этом некоторые из них случайно набирают от соседей избыточную энергию. Эта энергия позволяет им покинуть кристаллическую решетку подобно тому, как удаляются атомы испаряющейся жидкости.


Загадки техники