§ 5. Сверхпрочность

Теперь, когда читатель знает, в чем причина низкой реальной прочности металлов, у него может возникнуть вопрос о возможности ее резкого увеличения. Действительно, известно, чем обычно ограничена величина предельной упругой или пластической деформации, но ведь есть сверхупругость и сверхпластичность. Почему бы не быть сверхпрочности?

Разговор об этом уже был и сейчас нам предстоит его продолжить. Вначале наметим пути получения сверхпрочных материалов и вернемся для этого к опытам А. Гриффитса. До своего "изгнания" из лаборатории (а позже Гриффите стал известным конструктором авиационных двигателей) он успел установить интересную закономерность: чем тоньше стеклянные волокна, тем выше их прочность на разрыв, т. е. напряжение (конечно, не нагрузка), которое они могут выдержать. Гриффите утонял волокна, нагревая их той самой злополучной горелкой и оттягивая их концы. В результате ему удалось получить образцы диаметром 2,5 мкм, и их прочность составила 3500 МПа, тогда как прочность обычного стекла ("оконной толщины") - около 100 МПа. Поскольку довольно строго соблюдалась обратно пропорциональная зависимость между прочностью и диаметром образцов, Гриффите посчитал, что он вправе экстраполировать эту зависимость в область очень малых диаметров волокон. Получилось, что такая "паутина" должна была бы иметь прочность более 10⁴ МПа. Эта экспериментальная оценка хорошо совпадает с теоретической, так как модуль Юнга стекла 7·10⁴ МПа.

Рис. 87

В дальнейшем удалось получить волокна диаметром 1 мкм и менее, и значения их прочности хорошо укладывались на продолжение экспериментальной кривой Гриффитса. Пример показан на рис. 87. Взяв циркуль и линейку, можно легко убедиться в том, что деформация наружных слоев этой стеклянной нити превышает 7%, причем эта деформация упругая. Нить полностью распрямляется, если отпустить ее концы. Тогда, пользуясь законом Гука, можно оценить, что напряжение на поверхности нити более 5·10³ МПа. Дж. Гордон (автор замечательной книжки "Почему мы не проваливаемся сквозь пол?") сообщает, что позже были получены стеклянные нити с прочностью более 10⁴ МПа, так что прогноз Гриффитса снова подтвердился.

Анализируя свои результаты, Гриффите понял, что с уменьшением диаметра волокон снижается вероятность появления в них дефектов опасного размера. В дальнейшем это положение получило строгое обоснование.

Рис. 88

Итак, первый путь к сверхпрочности - это уменьшение площади сечения материала. Не будем, однако, забывать, что в конечном счете нам важна обычно не прочность материала, а нагрузка, которую он может выдержать. Значит, мы можем резко усилить конструкцию указанным путем, если сохраним площадь ее поперечного сечения. Канат, сделанный из тонких проволочек, мог бы в принципе выдерживать значительно большую нагрузку, чем монолитный стержень такого же диаметра, как наш канат.

Другой путь связан с улучшением состояния поверхности материала, поскольку на поверхности всегда есть неровности, царапины и другие дефекты, вызывающие концентрацию напряжений. К чему ведет концентрация напряжений, нам уже известно. На важнейшую роль поверхности в разрушении прямо указал своим классическим экспериментом один из основателей советской школы физиков академик А. Ф. Иоффе. В 1924 г. он обнаружил эффект резкого увеличения прочности кристалла каменной соли при испытании его под водой. Этот эффект так и называют - эффект Иоффе. Если в воду погружали часть кристалла, то она, естественно, становилась тоньше из-за растворения, но при нагружении кристалл разрушался по толстой (сухой) части, хотя ее сечение могло быть больше в десятки и даже сотни раз. Мокрая часть кристалла обнаруживала прочность, близкую к теоретической.

Рис. 89

Причина этого эффекта, вызвавшего в то время огромный интерес физиков и инженеров, состоит в том, что вода растворяет даже малейшие неровности на поверхности кристалла, делая ее идеально гладкой. Одного этого оказалось достаточно, чтобы приблизиться к предельным значениям прочности на разрыв.

Но вернемся от стекла и каменной соли к металлам. Ведь про каменную соль можно сказать примерно то же, что и про алмаз. Хотя ионная связь, объединяющая ионы натрия и хлора в кристаллической решетке соли не имеет такой строгой направленности, как ковалентная, но она далеко не так гибка, как металлическая. Дислокационный механизм пластической деформации в ионных кристаллах реализуется с большим трудом, и многие из них почти так же хрупки, как ковалентные.

Рис. 90

В металлических кристаллах дислокации подвижны, и в этом причина высокой пластичности металлов. Движение дислокаций можно затруднить, но металл все равно не будет таким хрупким, как алмаз или соль, потому что полностью блокировать дислокации не удается. С другой стороны, дислокации могут сами порождать трещины, что видно, например, из рис. 46. Когда две дислокации одного знака соединяются вместе, то под краем двух лишних полуплоскостей есть уже маленькая трещинка. Третья дислокация увеличит размер этой полости и т. д.

Напрашивается вывод: приблизиться к теоретической прочности металлических кристаллов можно только в том случае, если в них совсем или почти совсем не будет дислокаций. Как это сделать? Здесь на помощь человеку пришла сама природа. Именно в естественных условиях образовались очень тонкие кристаллики различных веществ, которые давно уже встречались людям в минералах, на стенах пещер и пр. Интерес к этим кристаллам усилился, когда они начали приносить вред, вызывая замыкания в разного рода радио- и электроаппаратуре. Оказалось, что нитевидные металлические кристаллы - их назвали усами - могут медленно расти на поверхности гальванических покрытий, достигая иногда нескольких сантиметров в длину. Диаметр их обычно составляет 1 - 2 мкм (рис. 90). И лишь 30 лет назад выяснилось, что металлические усы способны выдерживать небывалую по величине упругую деформацию - несколько процентов, а прочность их близка к теоретической.

Пришлось учиться выращивать усы в лабораториях, учиться управлять процессом их роста, ускорять его, поскольку в естественных условиях он длится месяцы и годы. Нужно было создавать и особые испытательные микромашины для исследования механических свойств объектов такого малого размера. Но усилия ученых были вознаграждены. В настоящее время получены усы многих металлов, металлоидов и различных соединений, выяснена причина их необычайно высокой прочности и уже начато их практическое использование в технике.

Что касается металлических усов, то их высочайшая прочность (например, 1,4·10⁴ МПа для железа) обусловлена одновременным действием всех трех рассмотренных нами факторов: они имеют очень малое сечение (порядка 1 мкм²), они имеют чрезвычайно гладкую поверхность (шероховатость часто не обнаруживается при увеличениях в десятки тысяч раз) и, наконец, они практически не содержат дислокаций и поэтому не способны к пластической деформации.