www.mexanik.ru

ВВЕДЕНИЕ

Прочность, пластичность, дислокации... Какова связь между этими понятиями? И, кстати, что такое дислокации? (Что такое прочность и пластичность знает, или во всяком случае думает, что знает, каждый).

Для ответа на эти вопросы нам придется вернуться на несколько десятилетий назад к истокам физики прочности и пластичности, развитие которой своими неожиданными поворотами часто напоминало скорее приключенческий роман, чем развитие серьезной науки.

Итак, тридцатые годы нашего (двадцатого) века. В различных странах крупные ученые стараются ответить на вопрос о том, почему твердые тела имеют различную прочность и как эта прочность связана со структурой (расположением атомов). Многолетними усилиями инженеров-металлургов и машиностроителей уже накоплен колоссальный материал о механических свойствах металлов, хорошо известно, как надо деформировать или закаливать сталь для получения высоких механических характеристик, неизвестно только, почему именно такая обработка дает данные механические свойства. Бурно развивается рентгеноструктурный анализ; в работах Г. С. Жданова, Г. В. Курдюмова, Я. С. Уманского в нашей стране, в работах многих зарубежных ученых установлено, каково расположение атомов практически во всех технических материалах и как оно меняется при фазовых превращениях.

В. И. Ивероновой, Б. М. Ровинским, Ю. С. Терминасовым установлены основные зависимости изменения рентгенограмм кристаллов при различных видах пластической деформации.

Из океана экспериментальных фактов уже можно выделить основные особенности пластической деформации кристаллов, в частности то, что сдвиг кристалла при деформации напоминает сдвиг в колоде карт, на поверхности кристалла возникают рельефные линии скольжения, вдоль которых материал сдвигается без нарушения сплошности. Если известна кристаллическая структура материала, то нетрудно подсчитать напряжение, необходимое для сдвига материала вдоль полосы скольжения, т. е. для пластической деформации. Изменения параметров модели (например, изменение принятого вида зависимости сил межатомного взаимодействия от расстояния между атомами) не приводят к существенному изменению этой величины.

Расчет теоретической величины предела текучести изящен, он очень прост и не требует знания математики, превышающего программу средней школы, его вполне можно было бы положить в основу инженерных расчетов прочности материалов, если бы не одно обстоятельство. Теоретическая величина предела текучести для металла в этом случае составляет около 1000 кг/мм2, а экспериментальные величины, измеренные на многих кристаллах сотнями исследователей, имеют порядок 0,1 кг/мм2.

Конечно, ни о каком практическом применении к инженерным проблемам теории, дающей расхождение с экспериментом на четыре порядка, не могло быть и речи.

И тогда почти одновременно нескольким ученым в разных странах пришла в голову идея, дававшая принципиальное решение вопроса. Решение, как все крупные идеи, было очень простым: вводился дополнительный фактор — фактор времени. Утверждалось, что сдвиг в материале происходит не одновременно по всей линии скольжения, а распространяется постепенно. Если это так, то в каждый момент времени напряжение должно быть достаточным только для прохождения некоторого элементарного сдвига, например на одно межатомное расстояние. Элементарные носители пластичности были названы дислокациями (Я. И. Френкель, Дж. Тейлор, Е. Орован) или зацеплениями (А. Кохендорфер).

Введение понятия дислокаций было революционным не только для физики прочности и пластичности, но и для других областей кристаллофизики, так как оно позволило рассматривать не идеальный кристалл с правильным расположением атомов, а реальный кристалл, содержащий дефекты (местные неправильности в расположении атомов).

Начало развития строгой теории дислокаций связано с именем Дж. Бюргерса, в честь которого основная характеристика дислокации названа вектором Бюргерса. С этим временем (сороковые годы) связан один из самых неожиданных поворотов в теории дислокаций. Когда ученые взялись за создание теории, оказалось... что основы этой теории существуют уже несколько десятков лет. В конце девятнадцатого и в начале двадцатого века в Германии и Италии работали математики, много сделавшие для развития математической теории упругости. Г. Вейнгартен, А. Сомиглиана и В. Вольтерра ввели в теорию упругости особые виды деформаций, названные «дислокациями», и провели строгое решение плоской задачи теории упругости для этих «дислокаций». Окончательные результаты исследований были опубликованы в начале двадцатого века в журнале с колоритным названием «Труды академии рысей».

Теперь читатель подготовлен к тому, чтобы услышать трогательную историю о забытых работах крупных ученых, неожиданно обнаруженных в архивах. Однако ничего подобного не произошло, никто этих работ не забывал, более того во всех классических курсах теории упругости за последние пятьдесят лет (например, в книгах А. Лява, Н. И. Мусхелишвили) был параграф, посвященный плоской задаче теории упругости для дислокаций.

Все дело было в узкой специализации ученых: физики и механики, занимавшиеся упругостью и пластичностью кристаллов, не понимали друг друга (кстати, нельзя с уверенностью утверждать, что они хорошо понимают друг друга сейчас).

Итак, теория была найдена, атомные модели элементарных дефектов были построены, теория дислокаций стала быстро развиваться, осталось немногое: доказать, что дислокации — это не выдумка, а реальность, увидеть хотя бы одну дислокацию.

На то, чтобы увидеть дислокации, потребовалось почти двадцать лет работы крупных научных коллективов во многих странах.

За эти двадцать лет были взлеты и падения, были призывы к отказу от теории дислокаций ввиду ее бесперспективности и даже идеалистической направленности (носителем пластичности является нечто, чего нельзя увидеть).

В начале пятидесятых годов в нашей стране почти не было людей, знающих теорию дислокаций, не было даже терминологии теории на русском языке. Нелегкую задачу пропаганды теории дислокаций в эти годы могли взять на себя только люди, уже обладавшие достаточно крупным научным авторитетом для того, чтобы противостоять многочисленным нападкам противников новой теории. В металловедении это было сделано И. А. Одингом, в кристаллографии — В. И. Ивероновой, в механике — Ю. Н. Работновым.

Немалую роль в распространении теории дислокаций сыграли обзорные работы В. Л. Инденбома и А. Н. Орлова, переводы иностранных книг и статей под редакцией М. Л. Бернштейна. Имело значение также создание реферативных журналов «Металлургия», «Механика» и «Физика», где соответствующие разделы вели В. С. Иванова, С. А. Шестериков и автор данной книги. В последние годы в нашей стране были получены первые крупные результаты в теории (Л. И. Седов, В. Л. Инденбом, А. Н. Орлов, А. М. Косевич, Е. Д. Щукин, И. А. Кунин и др.), в экспериментальном исследовании дислокаций (А. А. Предводителев, В. Н. Рожанский, Л. М. Утевский, М. П. Шаскольская и др.), с помощью дислокационных представлений удалось предложить и обосновать новые методы упрочнения металлов.

В качестве примера можно привести работы, выполненные автором, где на основе гипотезы о наследственности дислокационной структуры при фазовых превращениях удалось выяснить природу упрочнения металлов при термомеханической обработке, обработке ударными волнами высокой интенсивности и воздействии световых импульсов лазера 144—50, 79—100, 126—144].

Итак, что представляет собой современная теория дислокаций и каковы ее возможности?

Сейчас разработаны модели атомной структуры дислокаций в ряде материалов и для многих из них рассчитаны напряжения и деформации вокруг дислокаций, созданы и экспериментально подтверждены модели течения и упрочнения кристаллов, модели ползучести и разрушения, упрочнения при старении, легировании и закалке. Количество предложенных дислокационных механизмов, теоретических расчетов, экспериментальных наблюдений дислокаций очень велико; достаточно сказать, что ежегодно в периодической литературе появляется более тысячи статей, посвященных этим вопросам.

В то же время монографии, в которых излагалась бы современная теория дислокаций, практически отсутствуют как у нас, так и за рубежом.

В 1952 и 1953 гг. вышли книги А. Коттрелла [14] и В. Рида [11] и обзор Ф. Набарро [74], в которых были обобщены результаты развития теории дислокаций и ее Применений. В этих небольших превосходных монографиях содержится практически все, что было известно о дислокациях к тому времени. Через несколько лет, в 1960 г., вышла книга Ван Бюрена [10], в которой автор поставил перед собой ту же задачу. Объем этой книги в четыре раза больше, чем у книг А. Коттрелла и В. Рида, и все же о многом автору упомянуть не удалось, в частности, теории дислокаций во всей книге уделено не более 20—30 страниц. Следует отметить, однако, что издан ряд монографий и сборников, в которых подробно рассматриваются приложения теории дислокаций к упрочнению и разрушению (В. С. Иванова, Л. К. Гордиенко и др. [258]), ползучести (М. А. Криштал, И. Л. Миркин [12]), экспериментальные методы исследавания дислокаций как микроскопические (С. Амелинкс [16]), так и рентгеновские (автор [4—6]); в общих курсах физики твердого тела, например в курсе Г. С. Жданова [1], имеется раздел, посвященный дислокациям.

Автору в течение последних пятнадцати лет приходилось много заниматься переводом, реферированием и научным редактированием книг и статей, посвященных теории дислокаций и ее приложениям, применением этих представлений в экспериментальных исследованиях. Некоторые результаты экспериментальных работ, проведенных методами рентгеноструктурного и микроскопического анализа, приведены в книгах [4—6] и статьях [22—43, 145, 146].

В 1961 г. автор был приглашен для чтения курса «Физические основы прочности и пластичности» на кафедру теории пластичности механико-математического факультета Московского государственного университета. Несмотря на большой объем курса (более 30 лекций), очевидно, осе современные дислокационные представления уложить в него было невозможно и перед автором встал вопрос: что же главное в теории?

Читателю предлагается книга, появившаяся в результате многократного чтения курса лекций, работы над конспектом лекции и излагающая то, что, по мнению автора, является главным.

Основной трудностью, которая стояла перед автором, было не то, какой материал оставить, а то, какой материал выбросить. Дело в том, что дислокационные представления сейчас интересуют чрезвычайно широкий круг специалистов: физиков, механиков, металловедов, химиков, конструкторов и многих других. Одни из них хорошо знают теорию упругости, но не знают основ рентгеноструктурного анализа, другие хорошо знают кристаллографию, но не знают, чем сталь отличается от латуни.

Все эти специалисты приходили на лекции в количестве, значительно большем, чем студенты, требовали от лектора перестройки курса в интересующем каждого направлении, и лектор обещал каждому учесть его замечания при подготовке рукописи к изданию.

Итак, в конце концов получилось следующее.

В первой главе «Идеальные и реальные кристаллы» после краткого параграфа, содержащего основные кристаллографические представления, идет рассмотрение атомных моделей дефектов в простой кубической структуре — это то, что исследователи знали к 1950 г. Далее, также кратко, со ссылками на литературу излагаются экспериментальные методы исследования дефектов в кристаллах. Этот параграф нужен для того, чтобы читатель, увидев ниже в некоторых (к сожалению, не очень многочисленных) местах утверждение о том, что теория согласуется с экспериментом и ссылку на неясную фотографию, мог согласиться (или не согласиться) с автором.

Во второй главе «Дислокации в изотропном упругом теле» изложены вычисления напряжений и деформаций вокруг дислокаций, т. е. то, что, как отмечалось ранее, было известно механикам в двадцатых годах, и стало известно физикам в пятидесятых. Эти главы нужно читать очень внимательно, так как можно гарантировать, что читатель, не понявший того, что в них написано, дальше ничего не поймет (автор это хорошо знает по собственному опыту).

К сожалению, во второй главе не удалось уделить достаточно места новому направлению — континуальной теории дислокаций, которая пользуется современным математическим аппаратом общей теории относительности и дифференциальной геометрии. Один из интересных выводов этой теории гласит, что так как тело, содержащее дислокации, искривляется, то его можно рассматривать как тело, не содержащее дислокаций, но находящееся не в нашем трехмерном, а в искривленном эйнштейновом пространстве. Основы этой теории изложены в книгах Дж. Эшелби [20] и Э. Кренера [259], и автор, не включая соответствующий раздел, утешал себя тем, что читатель, достаточно образованный для того, чтобы понять, что написано в этих книгах, может позволить себе роскошь прочесть советские и зарубежные статьи, излагающие последние достижения теории.

В третьей главе рассмотрены атомные модели дислокаций не в гипотетической, не существующей в природе простой кубической структуре, как в первой главе, а в наиболее простых из реально существующих структур. Прочитавший эту главу еще раз убедится в справедливости старой истины о том, что жить в вымышленном мире значительно легче, чем в реальном. В частности, при рассмотрении механики этих дислокаций проводится последовательный учет анизотропии реальных кристаллов, ограниченности их размеров и т. д.

В четвертой главе рассмотрены некоторые из механизмов движения и размножения дислокаций при пластической деформации.

В пятой главе «Взаимодействие дислокаций» рассмотрены силы взаимодействия между дислокациями при различных видах расположения дислокаций. Эти расчеты важны при анализе различных механизмов упрочнения и разрушения монокристаллов.

В шестой главе делается неожиданное открытие: все, что было написано раньше, относилось только к специально выращенным кристаллам очень высокой чистоты, в то время как все реальные материалы не являются монокристальными, а содержат границы зерен, также состоящие из дислокаций. Рассмотрены возможные варианты границ и сделаны попытки предсказать, какие типы границ и с какими параметрами могут быть обнаружены в различных материалах, а также выведены условия механической стабильности дислокаций в границах.

В седьмой главе «Взаимодействие дислокаций с границами» рассмотрены силы, возникающие при взаимодействии. С такими задачами приходится встречаться при деформации и разрушении поликристаллических тел.

Книга создавалась в течение нескольких лет и долго готовилась к изданию. Поэтому наиболее новые результаты не удалось привести в тексте. Ссылки на новые работы, которые не удалось изложить, содержат не только указание места и года издания, но и название статьи или книги [201—289]. Это, по-видимому, должно облегчить дальнейшее изучение рассмотренных вопросов.

Наконец, последний вопрос: что должен знать читатель, открывающий эту книгу. Хорошо, если он знает математику, если он знаком с теорией упругости, с кристаллографией, рентгеноструктурным анализом, электронной микроскопией, физическим металловедением. Если не знаком, это тоже не беда, просто, в некоторых случаях ему придется принимать на веру выводы автора. Единственное, что необходимо, это то, чтобы материал, изложенный в книге, был ему нужен для работы, либо интересен, а еще лучше то и другое.

Несмотря на шутливый тон этого введения, «продираться» через книгу трудно, так как она состоит в основном из результатов, полученных десятками крупных ученых во многих странах.

Назад, на страницу описания