1611143556-2273da8470727e985a6fa41fb7d7276c (825019), страница 61
Текст из файла (страница 61)
Это объясняется тем, что в действительности скольжение осуществляется за счет передвн>кения дислокаций в кристаллах. Простейшая схема этого механизма изображена на последовательности рнс. 8, а — г. Если в кристалле имеется краевая дислокация (проходящая через точку А перпендикулярно передней грани кристалла), то в результате ее перемещения в плоскости скольжения от левого к правому краю тела возникнет сдвиг верхней части кристалла относительно нижней на один период решетки.
Перемеще>ше же дислокации связано лишь со сравнительно небольшой перестройкой решетки, затрагивающей атомы только вблизи одной линии. Иллк>стративно этот процесс можно уподобить перемещению складки по ковру: складка перемещается легче, чем ковер в целом, но в результате перемещения складки от одного конца ковра к другому происходит некоторый сдвиг ковра в целом. 'Таким образом, пластичность твердого тела связана с наличием в нем дислокаций и с возможностью свободного перемещения последних. Это перемещение может, однако, тормозиться различными препятствиями, например раствореннымн в решетке атомами примесей или содержащимися в теле мельчайшими твердыми включениями.
Дислокации тормозятся также при пересечении друг с другом, а так>не с границами зерен в поликристаллическом теле. В то же время взаимодействие дислокаций друг с другом н с другими дефектами приводит к возникновению новых дислокаций. Эти процессы очень существенны, так как именно они поддерживают развитие пластической деформации. В противном случае деформация прекратилась бы, как только были бы «использованы> все имевшиеся в теле дислокации. Число дислокаций в теле характеризуется их плотностью — числом дислокационных линий, пересекающих про- з 1061 Зз7 ПРИРОДА ПЛАСТИЧНОСТИ веденную внутри тела единичную площадку.
Это число может быть самым разнообразным, меняясь от 1О' — 10' см ' в наиболее совершенных чистых монокристаллах до 1О"— 10" см ' в сильно деформированных (холоднообработанных) металлах. Из сказанного выше ясно, что наименее прочными (т. е. обладающими наименьшими пределами упругости) будут чистые монокристаллы, плотность дислокаций в которых сравнительно невелика, так что дислокации практически не мешают друг другу при своем движении. Упрочнение материала может быть достигнуто растворением в нем примесей или осаждением микроскопических твердых включений, уменьшением размеров зерен. Так, прочность железа повышается (в различных сортах стали) растворенными в нем атомами углерода или выпавшими в процессе затвердевания микроскопическими включениями карбида железа. Пластическое деформирование само разрушает красталлическую решетку, увеличивая число дефектов в кристаллах в тем самым затрудняя дальнейшее перемещение дислокаций. В этом заключается природа явления упрочнения при деформироваиии, в том числе природа упрочнсния металлов холодной обработкой (так называемый нас«еп метаилов).
Достигаемое при пластической деформации упрочнение не сохраняется, однако, на неограниченноевремя. Наиболее устойчивым состоянием тела является не разрушенный, а идеальный кристалл, который представляет собой наиболее равновесное состояние твердого тела. Поэтому с разрушенными кристаллами происходят явления, называемые рекристаллизацией.
Дефекты структуры «залечиваются», зер.- на поликристаллического тела растут — большие за счет меньших, и в результате получается более совершенный и соответственно менее прочный агрегат. Рекристаллизация происходит тем быстрее, чем выше температура. Наиболее интенсивно опа происходит при сравнительно высоких температурах, в особенности при температурах, не далеких от точки плавления (в частности, при отжиге металлов). При низких температурах рекристаллизация практически останав.чивается.
Под влиянием рекристаллизации упрочненне постепенно ликвидируется, и если тело находится под действием постоянной нагрузки, то оно медленно течет. твеглые телА (гл. хш Температура оказывает также сильное влияние на движение дислокаций. Поскольку это движение связано с преодолением атомами (в их перестройке вблизи движущейся линии дислокации) потенциальных барьеров, оно представляет собой процесс активационного типа (ср. э 91), и потому понижение температуры быстро останавливает его, тем самым уменьшая пластичность тела. Описанные выше способы повышения прочности материала основаны на создании затруднений движению дислокаций.
Возможен также и противоположный путь упрочнения — создание монокристалла, вовсе не содержащего дислокаций. Такой кристалл должен был бы обладать, в принципе, наибольшим возможным пределом упругости: его пластическая деформация могла бы осуществляться лишь путем одновременных соскальзываний по целым плоскостям, что требовало бы, как уже указывалось, приложения чрезвычайно больших напряжений. К этому идеалу приближаются так называемые усы— тончайшие нитевидные кристаллы, толщины которых измеряются микронами. «Усы» образуются как металлами, так и неметаллами и могут быть получены различными способами, например: осаждением слабо пересьпценных паров чистых металлов при соответствуюших температурах в инертной газовой среде, медленным осаждением солей из растворов и др.
Рост таких кристаллов во многих случаях осуществляется, по-видимому, вокруг одиночных винтовых дислокаций описанным в Э 105 механизмом. Дислокация, расположенная вдоль оси нити, не влияет прн растяжении нити на ее механические свойства и кристалл ведет себя практически как идеальный. Как ясно из изложенного, все описанные свойства пластичности относятся только к телам кристаллическим.
Аморфные тела (например, стекла) не способны к пластическим деформациям (такие тела называют вообще хрупкими). Происходящие в них откчонения от упругих явлений сводятся либо к поломке (разрыву), либо к медленному течению под в.чиянием длительно действующих сил, в соответствии с тем, что аморфные тела — это жидкости с очень большой вязкостью. э 1071 ТРЕНИЕ ТВЕРДЫХ ТЕЛ й 107. Трение твердых тел Скольжение твердого тела по поверхности другого тела всегда сопровондается превращением его кинетической энергии в тепло, в результате чегодвижениетела постепенно замедляется.
С чисто механической точки зрения это явление можно описать как возникновение некоторой силы, препятствующей движению; она называется силой «прения. С физической точки зрения трение представляет собой результат сложных процессов, протекающих на трущихся поверхностях тел. Опыт показывает, что трение между твердыми телами обычно подчиняется некоторым простым закономерностям. Оказывается, что полная сила трения Г,м действующая между движущимися телами, пропорциональна силе И, с которой тела прижимаются друг к другу, и не зависит от площади соприкосновения тел н от скорости движения: Р =рЛС Величина р называется коэффициенлюж тренпя; она зависит только от свойств трущихся поверхностей. Это соотношение обычно хорошо выполняется в широком диапазоне экспериментальных условий (величин нагрузки и скоростей скольжения), но наблюдаются и отклонения от пего.
Трение существенно зависит от способа обработки трущихся поверхностей и от их состояния (наличия и характера загрязнений). Так, коэффициент трения между металлическими поверхностями лежит обычно в пределах от 0,5 до 1,5. Эти значения, однако, относятся к металлическим поверхностям, подвергающимся воздействию воздуха. Такие поверхности всегда загрязнены окислами, адсорбированньпчи газамн и т. и., ухудшающими условия контакта. Опыт показывает, что совершенно чистые поверхности металлов, приготовленные нагреванием в вакууме, обнаруживают при скольжении очень большое трение, а в некоторых случаях полностью «схватываются» друг с другом. Вряд ли существуег один универсальный механизм трения, и его происхождение различно для поверхностей различной природы н обработки.
Опишем, для иллюстрации, механизм трения некоторых металлов. тввглм« телА (гл. хи Эксперимент показывает, что поверхности металлов всегда обладают неровностями, большими по сравнению с молекулярными расстояниями. Лаже у наилучшим образом изготовленных и отшлифованных поверхностей глубина этих неоднородностей составляет 100 — 1000 Л, а в технической практике трущиеся поверхности обычно имеют во много раз большие неоднородности. При соприкосновении тел реальный контакт между ними осуществляется только по «вершинам» этих неоднородностей.
Поэтому площадь фактического контакта 5„может быть очень мала по сравнению с полной, номинальной площадью соприкосновения 5 (5, может составлять 1О 4 — 10 ' часть от 5). У пластических мегаллов уже под влиянием малых нагрузок «пики» неоднородностей деформируются, расплющиваясь настолько, чтобы действующее на них истинное давление упало до определенного предела р«„, ниже которого деформация прекращается. Площадь контакта 5„определяется условием р«»5«=Й и оказывается, следовательно, пропорциональной нагрузке Ф.
На участках истинного контакта силы молекулярного сцепления приводят к сильному «слипанию» тел. Прн скольжении происходят постоянный разрыв и образование новых участков контакта. Сила, требуемая для разрыва контактов, пропорциональна их площади 5„, а с нею и нагрузке И. От силы трения, возникающей при движении, надо отличать силу, которую надо приложить в самом начале движения для того, чтобы сдвинуть тело с места.
Это, как говорят, трение покоя тоже пропорционально величине нагрузки, но его коэффициент несколько больше, чем при движении, хотя и ненамного; разница достигает 10 — 20%. Подчеркнем, что все сказанное относится к трению между сухими поверхностями твердых тел. Его природа не имеет ничего общего с трением между смазанными поверхностями, разделенными слоем жидкости. В последнем случае сила трения обязана своим происхождением вязкости жидкости (простейший пример такого трения будет рассмотрен в з!19). Наряду с трением при скольжении существует также и трение, возникающее при качении одного тела по другому.
Рассмотрим цилиндр (радиуса г), катящийся по плоскости. Для преодоления силы трения и поддержания рав- зе1 % 1О71 ТРЕНИЕ ТВЕРДЫХ ТЕЛ номерного качения надо приложить некоторую силу Г. По отношению к линии, вдоль которой цилиндр в данный момент соприкасается с плоскостью, эта сила характеризуется своим моментом К (если сила приложена к оси цилиндра, то К= гГ.) Момент К и является мерой величины трения нри качении. Для него имеет место закономерность, согласно которой момент К пропорционален силе Ф, прижимающей катящееся тело к поверхности качения, К=уй. Коэффициент у характеризует трущиеся тела, он имеет, очевидно, размерность длины. Глава ХЛ~ ДИФФУЗИЯ И ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ й 108.
Коэффициент диффузии В предыдущих главах мы рассматривали главным обазам свойства тел, находящихся в тепловом равновесий. та и следующая главы посвянгепы процессам, с помощью которых происходит установление состояния равновесия. Такие процессы называют кинепшческими. По самому своему существу все эти процессы, как приближающие тело к состоянию равновесия, являются необратимыми. Если концентрация какого-либо раствора различна в разных его местах, то благодаря тепловому движению молекул он с течением времени перемешивается: растворенное вещество переходит из мест с большей в места с меныпей концентрацией'до тех пор, пока состав раствора не станет одинаковым по всему его объему.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
