Как уже указывалось выше, внутри каждого кристалла или зерна металла атомы образуют правильную кристаллическую решетку, поэтому плотность расположения атомов в различных сечениях неодинакова, что приводит к анизотропии свойств. Анизотропия – различие свойств монокристалла в разных кристаллографических направлениях. Так, например, предел прочности монокристалла меди в различных кристаллографических направлениях изменяется от 140 до 360 МПа, а относительное удлинение – от 10 до 50%. Технические металлы являются поликристаллическими, т.е. состоят из большого числа анизотропных кристаллов. В большинстве случаев кристаллы неупорядоченно ориентированны по отношению друг к другу, поэтому во всех направлениях свойства будут более или менее одинаковы, т.е. поликристаллические тела являются изотропными. На практике и строители, и машиностроители чаще всего имеют дело с полуфабрикатами, полученными методом прокатки: фасонным (уголок, швеллер, тавр, двутавр и т.д.) и сортовым (круг, квадрат, шестигранники и т.д.) прокатом. При проведении операции прокатки зерна или кристаллы вытягиваются в сторону деформации и металл приобретает волокнистое строение, называемое текстурой. Фактически весь строительный прокат имеет одностороннюю направленность кристаллов, поэтому данные полуфабрикаты будут обладать анизотропией свойств. На рис. 7 показано изменение свойств стального проката в зависимости от направления волокон.
Таким образом, при испытании на растяжение предел прочности металла вдоль волокон выше, и при испытании на срез прочность поперек волокон значительно выше, что необходимо учитывать при проектировании металлоконструкций.
Следующий момент, который необходимо рассмотреть в данном разделе, это значительно меньшая реальная прочность металлов, чем та, которой они должны были бы обладать теоретически. Так, прочность на срез реальных металлов в 100…1000 раз меньше теоретической. Основное влияние на снижение механической прочности реальных металлов и сплавов оказывают линейные дислокации. Дислокация – структурное несовершенство кристаллической решетки, обусловленное наличием в ней лишней недостроенной плоскости, называемой экстраплоскостью Q (рис. 9). На рис. 8 и рис. 9 показаны фрагменты кристаллической решетки идеального и реального кристалла с дислокацией. Для смещения одной части идеального кристалла относительно другой по плоскости скольжения MN необходимо разорвать межатомные связи во всех парах сопряженных атомов относительно плоскости скольжения MN. Для этого требуется очень большая сдвигающая сила τ. В области дислокации (рис. 9), вследствие искажения периода решетки (расстояния между соседними атомами), существует значительное напряженное состояние. Поэтому достаточно в плоскости MN приложить усилие τ1, много меньшее, чем τ, чтобы дислокация сместилась от своего положения.
Связь между атомами 2–3 нарушается и обрывается, но при этом устанавливается связь между атомами 3–1, т.е. произошло смещение дислокации влево на один период кристаллической решетки. При постоянном приложении нагрузки τ1 происходит эстафетная передача дислокации от одной кристаллографической плоскости к другой, и процесс продолжается до тех пор, пока дислокация не выйдет наружу, образуя ступеньку, равную периоду решетки, – совершился пластический сдвиг в плоскости скольжения МN. Ввиду того, что в плоскости скольжения находятся десятки дислокаций, которые перемещаются одновременно, величина ступеньки определяется количеством этих дислокаций. Движение дислокаций, начавшееся в одном кристалле, не может переходить в соседнее зерно или кристалл, так как в нем кристаллическая решетка ориентирована по-иному. Однако напряжения от скопления дислокаций у границы зерна передаются соседнему зерну и также вызывают в нем деформацию, т.е. деформация передается как эстафета, а граница зерен лишь несколько замедляет ее движение. Как показали исследования, прочность металлов не является линейной функцией плотности дислокаций, а зависимость между ними выражается кривой, показанной на рис. 10. Как видно из рисунка, минимальная прочность (область 1) определяется Ркрит., приближенно равной 106…108дисл./см2. Такая плотность обычно бывает у отожженных металлов. Повышения прочности можно достичь двумя путями:
- созданием металлов и сплавов с бездефектной структурой;
- повышением плотности дислокаций, затрудняющих их движение.
Если плотность дислокаций меньше Ркрит., прочность резко увеличивается и быстро приближается к теоретической. В настоящее время удалось получить кристаллы, практически не содержащие дислокаций. Эти нитевидные кристаллы небольших размеров (длиной до 10 мм и толщиной 2 мкм), называемые усами, обладают прочностью, близкой к теоретической. Они нашли применение для армирования волокнистых композиционных материалов.
При возрастании количества дефектов свыше Ркрит. происходит упрочнение металла вследствие взаимодействия дислокаций и торможения их движения. На данном направлении основными механизмами упрочнения могут быть: наклеп (деформационное упрочнение), образование твердых растворов (о чем речь пойдет ниже), дисперсионное упрочнение.
