33. ПЛАСТИЧНОСТЬ И ХРУПКОСТЬ

Тело из любого материала при малых деформациях ведет себя как упругое. Его размеры и форма восстанавливаются при снятии нагрузки. В то же время почти все тела в той или иной мере могут испытывать пластические деформации.

Механические свойства материалов разнообразны. Такие материалы, как резина или сталь, обнаруживают упругие свойства при сравнительно больших напряжениях и деформациях. Для стали, например, закон Гука выполняется вплоть до а для резины до значительно больших с, порядка десятков процентов. Поэтому такие материалы называют упругими.

Пластичность. У мокрой глины, пластилина или свинца область упругих деформаций мала. Материалы, которых незначительные нагрузки вызывают пластические деформации, называют пластичными.

Деление материалов на упругие и пластичные в значительной мере условно. В зависимости от возникающих напряжений один и тот же материал будет вести себя или как упругий, или как пластичный. Так, при очень больших напряжениях сталь обнаруживает пластичные свойства. Это широко используют при штамповке стальных изделий с помощью прессов, создающих огромную нагрузку.

Холодная сталь или железо с трудом поддаются ковке молотом. Но после сильного нагрева им легко придать посредством ковки любую форму. Пластичный при комнатной температуре свинец

приобретает ярко выраженные упругие свойства, если его охладить до температуры ниже -100 °С.

Хрупкость. Большое значение на практике имеет свойство твердых тел, называемое хрупкостью. Материал называют хрупким, если он разрушается при небольших деформациях. Изделия из стекла и фарфора хрупкие: они разбиваются на куски при падении на пол даже с небольшой высоты. Чугун, мрамор, янтарь также обладают повышенной хрупкостью. Наоборот, сталь, медь, свинец и т. д. не являются хрупкими.

У всех хрупких материалов напряжение очень быстро растет с увеличением деформации, и они разрушаются при весьма малых деформациях. Так, чугун разрушается при относительном удлинении 0,45%. У стали же при деформация остается упругой и разрушение происходит при

Пластические свойства у хрупких материалов практически не проявляются.

Механизм пластических деформаций. При упругих деформациях в кристаллических телах - атомы лишь незначительно смещаются друг относительно друга.

При пластических деформациях смещения атомов или молекул могут во много раз превышать расстояния между ними. Однако нарушения всей кристаллической структуры тела не происходит. Отдельные слои кристаллической решетки проскальзывают друг относительно друга. На рисунке 90 изображен маленький кристалл меди после растяжения. Хорошо видны следы скольжения слоев.

Характерно, что у всех кристаллов скольжение атомных слоев происходит не сразу по всему объему кристалла, а осуществляется за счет передвижения дислокаций. Перемещение же дислокаций связано с перестройкой решетки, затрагивающей одновременно лишь небольшую группу атомов вдоль одной линии. Этот процесс подобен перемещению складки по ковру: складку перемещать легче, чем весь ковер, а в результате ковер в целом сдвигается на некоторое расстояние.

Итак, пластические деформации связаны с наличием дислокаций в кристаллах и возможностью их перемещений. Эти перемещения тормозятся различными препятствиями: атомами примесей, твердыми микроскопическими включениями, границами кристаллических зерен в поликристаллах. Кроме того, дислокации тормозятся при «взаимных пересечениях».

Наиболее прочными были бы кристаллы, совершенно лишенные дислокаций. Но в реальных кристаллах они всегда имеются. Если число дислокаций сравнительно невелико. то они практически перемещаются без торможения и прочность кристалла

Рис. 90

невелика. Упрочение кристалла может быть достигнуто включением в него примесей или уменьшением зерен в поликристаллах, а также увеличением числа дислокаций.

В технике широко используют повышение прочности металлов путем введения в них специальных добавок: никеля, вольфрама, ванадия и др.

Пластические деформации сами могут приводить к увеличению количества дислокаций и тем самым увеличивать прочность кристаллов. Этот способ повышения прочности называют наклепом. Наклеп осуществляют, протягивая металлические заготовки между валками или другими способами. Однако чрезмерное увеличение числа дислокаций делает кристаллическую решетку неустойчивой, и материал теряет прочность.

Таким образом, изучение структуры твердого тела улучшение на этой основе механических свойств материалов приводит к повышению их прочности и тем самым к уменьшению веса машин и механизмов, увеличению их надежности.

1. Перечислите основные виды деформаций твердых тел. 2. Что называют механическим напряжением? 3. Как связано механическое напряжение с относительным удлинением? 4. Чем отличаются упругие деформации от пластических? 5. Что называют пределом прочности? 6. Какие материалы называют хрупкими? 7. Каким образом дислокации влияют на пластические деформации и прочность кристаллов?