Техника - молодёжи 1962-02, страница 7

s

с; <

ь

о

ш

т <

X

о;о

ш О О

и

со

с;

с; <

I-

ш

н

2 СЦ X ZT

о

Q_

С >

О

L-

0

1

X

X <

о

X

IS ь

ш

в

ш

А. ШИБАНОВ, инженер, член литобъединения журнала

ТЕОРИЯ ПРОТИВ ПРАКТИКИ

В жизни человеку приходится иметь дело с самыми разнообразными материалами, как природными, так и искусственными. Тем не менее среди окружающих нас вещей трудно отыскать какой-нибудь предмет, целиком изготовленный из одного кристалла. Наоборот, большую часть встречающихся твердых тел можно уподобить своеобразным кирпичным зданиям, строительным материалом для которых служит «сплав» из множества мелких кристалликов вещества, сцементированных в единое целое. Не зная 'прочности одиночного простого кристалла, нельзя определить -прочность и всего мн ого кристаллического материала в целом. Поэтому в лабораториях ученых в течение уже многих лет проводятся всесторонние испытания кристаллов различных веществ.

До некоторого времени такие опыты не давали никакого повода для беспокойства. Все неприятности начались с того момента, когда ученые решили теоретически подсчитать прочность кристаллов. Результаты расчетов получились самыми неожиданными. Оказалось, что по теоретическим расчетам ■кристаллические тела должны выдерживать в 100, а то и в 1 ООО раз более высокие нагрузки, чем они выдерживают на самом деле.

Трудно пройти мимо такого поразительного факта, ведь подобные «теоретические» сверхпрочные материалы — настоящий клад для современной и будущей техники. Кроме того, за столь явным несоответствием между показаниями при-

Трудно сдвинуть сразу несколько плит, тесно примыкающих друг к другу. Зато если между ними есть проме-нутни, достаточно толкнуть первую плиту, остальные по-млятся сами. Но когда расстояние между плитами не очень клико, они как бы поддерживают друг друга и лучше противятся смещению.

Примерно такая же картина наблюдается и в кристаллах. ^гш бы в них не было дефектов — дислокаций, машины, у,ания, мосты выглядели бы совершенно не так, как сей-юс. Посмотрев на такой кристалл через микроскоп (см. юто в кружках), мы увидали бы ровную поверхность, "увеличением числа дислокаций прочность быстро падает, сооружения из такого материала становятся больше и тяжелее. Под микроскопом уже видны места выхода дислокаций на поверхность,. Но когда дислокаций слишком мно-•о, металл снова упрочняется, хотя и не достигает прочисти бездислокационных кристаллов. Это происходит пото-I/, что дислокации мешают друг другу распространяться ю всему кристаллу.

Но в чем же трудность получения бездислокационных <ристаллов7 В таких кристаллах образование каждого но-мо слоя должно начинаться на «пустом месте». Для этого «ужно все время поддерживать высокую концентрацию (ристалгиэующегося вещества. Если же кристалл содер-мт винтовую дислокацию, то на его поверхности всегда кть «атомная ступенька», на которой легко оседают но* (tie атомы даже из ненасыщенного раствора.

боров и теоретическими расчетами может скрываться какая-то глубокая ошибка во взглядах ученых на прочность твердых тел. И пока эта ошибка не будет выявлена, нет уверенности в том, что поиски новых высокопрочных материалов ведутся не вслепую. Правильное разрешение своеобразного «парадокса прочности» дало бы ключ к разгадке самой природы прочности твердых тел.

Много раз проверяли ученые расчеты и каждый раз убеждались в правильности теоретических результатов. А опытные данные неизменно показывали обычную, «заниженную» прочность испытываемых материалов. Чтобы разрешить такое вопиющее противоречие между теорией и практикой, оставалось предположить только одно: взятые для расчетов «теоретические» кристаллы чем-то не похожи на свои реальные прообразы.

В самом деле, гипотетические кристаллы, которые были специально для расчетов придуманы учеными и которые существуют только в их воображении, построены из правильной, совершенной во всех отношениях кристаллической решетки, сложенной из чередующихся в определенном порядке атомов. Но ведь в реальных кристаллах могут быть какие-то внутренние изъяны, слабые места, где разрушение кристаллического тела начинается при гораздо меньших усилиях. Где тонко, там и рвется. Не секрет, что металлические части конструкции с внутренними скрытыми дефектами — трещинами или раковинами — разрушаются при гораздо меньших нагрузках, чем такие же полноценные детали. Своеобразные микроскопические дефекты могут существовать и во всех реальных кристаллах. Тогда правы будут и теория и практика одновременно. Только теория изучает совсем не те объекты, которыми занимается практика. Этим-то и объясняется такое большое расхождение в прочности реальных и идеальных кристаллов.

Предположив, что «фабрика кристаллов» природы производит только «бракованный материал», ученые решили нащупать ту ахиллесову пяту кристаллических тел, которая делает их такими непрочными.

Чтобы исправить свою ошибку и приблизить расчеты к действительности, ученые построили новую теоретическую модель кристалла. В отличие от первой она содержала уже некоторые предполагаемые дефекты — дислокации. Дислокации были введены в науку о кристаллах еще в 1930 году, но далеко не сразу завоевали себе признание.

БЕСПОРЯДОК В МИРЕ ПОРЯДКА

Внешнюю правильность геометрической формы кристалла непосвященный человек автоматически переносит и на его внутреннее строение. Кристаллы долгое время считались образцом идеального порядка и совершенства в природе. Но это впечатление так же обманчиво, как мнимая ровность лезвия бритвы; бритва под микроскопом напоминает зазубренный горный хребет. Если бы существовал микроскоп, «позволяющий увидеть все детали расположения атомов в кристалле, то помещенные под его объектив «образцы порядка и совершенства» имели бы вид своеобразных кирпичных зданий, в которых не хватает сразу целых рядов кирпичей. Нельзя требовать высокой прочности от подобного строения, а именно такую «недобросовестную постройку» и представляют из себя все существующие кристаллы Кристаллы поваренной соли имеют форму куба. Их можно сравнить с толстой книгой, страницы которой заменены плоскостями из правильно расположенных атомов натрия и хлора. Если посмотреть на «книгу» с обреза, то можно увидеть только чередующиеоя атомные плоскости. Но стоит только заглянуть внутрь кристалла-книги и «перелистать» ее, как можно обнаружить оборванную пополам «страницу», и не одну. В кристалле оборванная атомная плоскость дезорганизует его структуру вблизи обрыва. У атомов, расположенных возле края оборванной плоскости, совсем другое число соседей, чем им полагается иметь в кристалле. Поэтому и свойства кристалла в этом особом месте отличаются от его обычных свойств. Обрыв внутри кристалла одной из его атомных плоскостей был назван краевой дислокацией.

Теперь представьте себе толстую книгу-кристалл,, состоящую всего из одного тонкого листа. Такой вариант вполне возможен, если лист склеен в виде спирали. Словно винтовая нарезка, наслаивается одна «атомная страница» кристалла на другую. С обреза наша «книга»

5