§ 63. Строение и упругая деформация металлических кристаллов.

Получив внешнее представление о характере протекания упругой и пластической деформации металлов, естественно задать вопрос: каков же внутренний механизм этих процессов и что происходит в материале при действии на него внешних сил? Металлы в этом отношении изучены наиболее хорошо, в то же время несущие элементы конструкций делаются по преимуществу металлическими, поэтому мы займемся вопросом об упругой и пластической деформации металлов и сплавов.

Металлы имеют кристаллическую структуру. В известных условиях могут образовываться большие единичные металлические кристаллы, так называемые монокристаллы. Существуют способы искусственного выращивания монокристаллов, применяемые в лабораториях для физических исследований. Но при затвердевании металла из расплава возникает очень много центров кристаллизации, в результате технический металл состоит из большого числа кристаллов неправильной огранки, которые называются кристаллитами или кристаллическими зернами. Расположение зерен носит случайный характер, неправильность их формы вызвана тем, что рост каждого зерна стеснен соседними зернами. Атомы металла в каждом кристалле расположены совершенно определенным образом; соединяя отрезками прямых центры атомов, мы получим то, что называют кристаллической решеткой. Она состоит из повторяющихся совершенно одинаковых элементов. Атомы удерживаются в решетке особого рода связями, которые называются металлическими связями. Природа этих связей состоит в следующем. Каждый атом отдает все свои свободные электроны, они полностью утрачивают связь с индивидуальными атомами и беспорядочно движутся между ними подобно частицам газа. Лишенные части электронов, атомы становятся электрически положительными, и между ними возникают силы электрического отталкивания. Давление электронного газа, наоборот, стремится сблизить атомы, равновесие сил притяжения и отталкивания обеспечивает устойчивость кристаллической решетки. Сила взаимодействия между каждой парой атомов приближенно записывается таким образом:

Здесь — расстояние между атомами, — постоянные для данного вещества.

Показатель больше, чем показатель поэтому силы отталкивания, преобладающие при малых расстояниях, уменьшаются с увеличением расстояния значительно быстрее, чем силы притяжения. Примерный график зависимости силы F от расстояния между атомами изображен на рис. 79. В положении относительного равновесия, когда сила F равна нулю. При изменении расстояния возникает сила, отталкивающая при сближении атомов и притягивающая при их удалении. Если это изменение мало, зависимость силы от величины можно считать в первом приближении линейной. Отсюда ясно, что закон Гука есть лишь приближение, справедливое для малых деформаций.

Рис. 79.

Если сила такова, что расстояние между атомами становится равным , то кристаллическая решетка разрушается, так как дальнейшее увеличение расстояния между атомами не требует увеличения силы. Рассмотренная двухатомная модель позволяет судить о свойствах кристаллической решетки Лишь качественно, на самом деле атомы расположены в пространстве и взаимодействие между ними значительно более сложно.