Колебания атомов. Усталость металла: ее причины и борьба с нею

Кристаллическая форма многих твердых тел свидетельствует о том, что атомы в них образуют те или иные упорядоченные структуры. В аморфном, или некристаллическом, веществе строгий порядок в расположении атомов отсутствует. Существует несколько типов кристаллических структур, простейшей из которых является кубическая. Хлорид натрия (поваренная соль) состоит из ионов натрия и хлора. В кристалле соли эти ионы формируют так называемую гранецентрированную кубическую решетку. Строение твердых тел можно установить, изучая дифракцию на них рентгеновских лучей и используя полученные рентгеновские снимки для выяснения структур сложных кристаллов.

Кристаллы состоят из регулярно соединенных одинаковых элементарных ячеек. Каждая ячейка может содержать один-единственный атом, как в кристаллах меди, или сотни и даже тысячи атомов различных типов, как в кристаллах белка. Упорядоченность и симметрия в строении кристаллов существенно помогают при исследовании структуры материалов. Элементарные ячейки кристаллов подразделяются на 14 основных типов. Обычно их объединяют в семь групп: кубические решетки (А, Б, В); ромбические (Г, Д, Е, Ж); моноклинные (3, И), триклинные (К), тетрагональные (Л, М), тригональные (Н) и гексагональные (О).

Примером вещества с ионной кристаллической решеткой служит хлорид натрия. Атомы других кристаллических веществ, например алмаза, образуют правильную решетку, соединяясь друг с другом ковалентными химическими связями, в которых один или более электронов принадлежат совместно соседним атомам. В воске и подобных ему веществах молекулы лишь слабо удерживаются так называемыми ван-дер-ваальсовыми силами. Кристаллическая решетка металлов образована положительными ионами, в промежутках между которыми движутся свободные электроны.

Дифракция рентгеновских лучей на правильной периодической решетке кристалла создает на экране систему пятен (А). Каждое из них формируется рентгеновскими лучами, которые, последовательно отражаясь от плоскостей кристалла, проходят путь, равный целому числу длин волн (В). Симметрия и регулярность в расположении пятен помогают кристаллографу определить, с каким типом ячейки он имеет дело. Например, дифракционная картина А соответствует гексагональной структуре, так что ячейка типа Б не может присутствовать в этом кристалле. По относительной интенсивности пятен и их фазам можно рассчитать кристаллическую структуру.

Если к металлу приложить электрический потенциал, электроны начинают дрейфовать между ионами. По этой причине металлы и их сплавы хорошо проводят электричество.

Колебания атомов. Все межмолекулярные силы по своей природе являются электрическими. Они вызывают притяжение между молекулами, расположенными на относительно больших расстояниях, и отталкивание при близком их расположении. Теми же силами объясняются и упругие свойства твердых тел. При растяжении материала расстояния между атомами слегка увеличиваются, при этом результирующее растяжение оказывается пропорциональным вызывающему его механическому напряжению (эта зависимость выражена в известном законе Гука). При сжатии тела атомы сближаются, тогда как сдвиг заставляет слои атомов скользить друг относительно друга.

Прочность материала на разрыв исследуют путем растяжения. Сначала металл растягивают в целом, а затем растяжение концентрируют вблизи точки излома. Кривые А и Б показывают типичные картины растяжения. Кривая для мягкой стали (А) остается линейной пока не достигнет предела упругости. Если напряжение снять раньше, то металл восстанавливает свою первоначальную длину. Кривая Б типична для более мягких металлов. Справа показана диаграмма относительных прочностей металлов.

Атомы в твердых телах, даже имеющих кристаллическую структуру, совершают непрерывные колебания около некоторых средних положений в решетке. При нагревании чистого твердого тела колебания становятся более интенсивными. И если тепловая энергия достаточна, чтобы атомы могли преодолеть силы, удерживающие их вместе, то кристаллическая структура «распадается» и твердое тело плавится.

Монокристалл чистого металла значительно менее прочен, чем можно было бы ожидать. Это вызвано несовершенством решетки, связанным с наличием дислокаций. Обычный кусок металла имеет поликристаллическую структуру, иными словами, состоит из многих неупорядоченно расположенных кристалликов. Под действием давления слои атомов в каждом кристаллике скользят друг относительно друга. Однако атомы примесей, присутствующих в кристаллике, «цепляются» за дислокации, препятствуя скольжению. Поэтому сплав, включающий два или более металла, обычно гораздо прочнее каждого из них.

Усталость металла: ее причины и борьба с нею. Способность некоторых твердых металлов к пластической деформации называется ползучестью. Она связана с движением дислокаций в кристаллических зернах, скольжением на их границах или смещением слоев кристалла по определенным плоскостям скольжения. Усталостью называется такое изменение свойств металла, которое может привести к его внезапному разрушению.

Стуча по листу металла, чеканщик делает его более твердым, не увеличивая при этом его хрупкости. При ударах дислокации сдвигаются вдоль внутренних плоскостей скольжения, пока они не встречаются и не останавливаются. Это создает барьеры, препятствующие движению других дислокаций,-металл становится прочнее.

Металлы удается вытягивать в тонкие волокна, свободные от дислокаций. Эти волокна, называемые усами, очень прочны; внедренные в структуру другого материала, они образуют так называемый композиционный материал, обладающий высокой прочностью.

Металлурги выделяют металлы из руд, расплавляя их. При нагревании кристаллическая решетка металла разрушается, и он начинает течь. Точки плавления металлов варьируются в широком интервале- от ртути, которая плавится при - 38,8°С, до вольфрама, плавящегося при температуре 3410°С.

Структура твердых тел. Молекулы природных и синтетических полимеров имеют сложную структуру. Как показывают рентгеновские снимки, при растяжении резины ее спиралевидные молекулы вытягиваются в линию. При снятии напряжения молекулы снова скручиваются, принимая прежнюю форму, что и придает резине эластичность. Аналогичный процесс вытягивания полимерных молекул происходит при производстве нейлона.

Свойства полупроводников, благодаря которым они находят широкое применение, например в транзисторах, связаны с весьма тонкими нарушениями их в основном правильной кристаллической решетки. При изготовлении транзисторов в основной элемент-кремний или германий-искусственно вводят незначительное количество примесного элемента. Атомы примеси имеют либо больше, либо, наоборот, меньше электронов по сравнению с атомами основного элемента. В результате возникает избыток или недостаток электронов (отсутствие электрона принято называть «дыркой»).

Движение избыточных электронов или дырок придает материалам их специфические электрические свойства. Если в полупроводнике имеется избыток электронов, то его носители тока заряжены отрицательно, а сам полупроводник относится к n-типу. Если же в нем содержится больше дырок, являющихся положительно заряженными носителями тока, то полупроводник относится к р-типу.

В прочных металлах свободное движение дислокаций ограничено. Прочность металла можно повысить, получив его сплав или измельчив кристаллы металла, насколько это возможно. В структуре А большие атомы примеси находятся в углах кристаллической решетки, а маленькие в центре, нарушая тем самым целостность кристалла и препятствуя свободному движению дислокаций. В структуре Б границы кристалла сильно искажены, что также мешает движению дислокаций. Металл разрушается там, где либо имеется дислокация в решетке, либо происходит скольжение граней микрокристаллов, а также вдоль плоскостей скольжения. Часто повторяющиеся растяжения и изменения нагрузки вызывают усталость металла (В). На краях излома можно видеть следы металлической рекристаллизации. Длительное напряжение дает аналогичный эффект, называемый ползучестью металла (Г). На рисунках В и Г мы можем видеть разрушения лопастей турбины, изготовленных из никелевого сплава.

Дифракция рентгеновских лучей на кристаллах позволяет исследовать микроструктуру твердых тел. Для исследования структуры материала в целом, иначе говоря, его макроструктуры, используются другие методы. Например, зернистую структуру металла можно обнаружить, протравливая поверхность железа и изучая ее в отраженном свете под микроскопом.

Гораздо большее увеличение обеспечивает электронный микроскоп. Поверхность металла протравливают и изготовляют с нее копию, отпечатывая ее на слое угля или пластика; затем с нее снимают тонкую пленку, которую и изучают под микроскопом. Для исследования можно также использовать тонкую металлическую фольгу. Сканирующий электронный микроскоп позволяет выявить трехмерную структуру поверхности.