Горизонты техники для детей, 1966 №2

Сопротивление материалов

В прошлый раз мы говорили о несовершенстве, или иначе дефектах в строении металлов, что имеет особое значение для механического сопротивления металлов. Особенно важна в этом отношении дислокация.

Что такое дислокация? Наше объяснение будет вам гораздо понятнее, если явление дислокации сравнить, например, со складкой на ковре. Приняв такое сравнение, нам будет легче разобраться, почему наличие дислокации делает металл непрочным, то есть обладающим малым сопротивлением на такого рода воздействия, как изгиб, растяжение и др. Каждое из этих воздействий обозначает перемещение одной части металла относительно другой, что можно сравнить с перемещением ковра относительно пола. Проще всего передвинуть ковер, взяв его за один конец и потянув в сторону (рис. 1).

Но если ковер большой и тяжелый? Как в таком случае его переместить? Тогда делаем на одном из его концов складку и перемещаем её к другому концу (рис. 2). В результате весь ковер сместится относительно пола.

Вернемся к металлам. Складкой в металлах будет как раз дислокация, которая, легко перемещаясь вдоль металла, облегчает его изгиб, растяжение и т. п. Благодаря тому, что в металле всегда существуют различные дислокации и другие несовершенства строения, его можно легко деформировать. На рис. 4 показан один из видов дислокации. Здесь видно, как в месте дислокации атомы расположены неправильно. Это и понятно. Металл был жидкостью (например, сталь в мартеновской печи), а жидкость не имеет правильного кристаллического строения, и её атомы находятся в беспорядочном движении. Момент застывания (затвердевания) подобен команде «в шеренгу стройся!» для большой группы ребят, которые бегали по футбольному полю. Всегда кто-нибудь и не успеет добежать до своего места: и станет как попало, и другим мешает занять своё место в ряду. Среди атомов жидкости, которым дана подобная команда, тоже имеются такие, которые не успевают занять положенного места, вызывая тем самым дислокацию, подобную той, что показана на рис. 4.

На рис. 3а и 3Ь вы видите деформацию правильного кристалла, в котором все атомы занимают правильное положение и не «влезают» на чужое место. Такой металл не поддается деформации. Если бы в таком металле были дислокации, то он легче всего бы деформировался.

А вот еще одно интересное явление: сплавы металлов прочнее чистых металлов. Чем это объяснить?

Сплавы металлов состоят из атомов металлов, входящих в состав сплава. В них тоже есть дислокация, но атомы другого металла мешают перемещению дислокации. Это так, как будто бы на ковре кто-то стоит и задерживает перемещение складки. Приложив большую силу, можно было бы все-таки переместить складку в заданную сторону. Принялось бы сдвинуть и стоящего на ковре.

Нашим сравнением можно объяснить, почему бронза значительно прочнее чистой меди или олова, смесь которых образует бронзу, по чему добавка углерода к стали делает, сталь очень твердой и т. д.

Но почему в таком случае сплав золота с серебром почти не отличается твердостью от чистого золота и серебра? Да потому, что получать более твердые и прочные сплавы не так уж просто.

Входящие в состав сплава металлы должны отличаться по величине атомов. Атомы золота и серебра почти одинакового размера и не мешают перемещению дислокации. И, наоборот, в случае бронзы. Атомы олова значительно больше атомов меди. Перемещение такого большого атома среди «малышей» затруднено. Это хорошо показал наш художник на рис. 3а.

Такой большой атом мешает движению дислокации, а тем самым делает металл более прочным, не поддающимся деформациям. А не напоминает ли вам такой большой атом стоящего на ковре мальчика и мешающего перемещению ковра? Напоминает. Да, роли их почти одинаковые.

А вот еще один пример. Когда вы сгибаете кусочек проволоки, он прогибается именно в том месте, где вам хочется. Почему же при продолжительном сгибании он не прогнется ни в каком другом месте, а только там, где начала сгибаться проволока?

Дело здесь вот в чем. Когда мы начали сгибать проволоку, дислокации вынуждены были оторваться от инородных атомов и стали перемещаться значительно свободнее, чем раньше. Металл в этом месте сделался более мягким.

Итак, ребята, мы рассказали вам довольно коротко и, конечно, очень упрощенно о дислокации и связанным с ней сопротивлением материалов.

инж. Ян Токарский