ПРОЧНОСТЬ ТВЕРДЫХ ТЕЛ И МЕХАНИЗМ ИХ ДЕФОРМАЦИИ

ПРОЧНОСТЬ ТВЕРДЫХ ТЕЛ И МЕХАНИЗМ ИХ ДЕФОРМАЦИИ

Огромный вклад в эту чрезвычайно важную область физики внесли работы академика Абрама Федоровича Иоффе и его учеников.

Большинство твердых тел имеет кристаллическую структуру. Долгое время в физике господствовали представления о том, что реальные кристаллические тела мало чем отличаются от идеальных. Общепризнанная теория кристаллической решетки, разработанная Максом Борном, исходила из идеальных представлений о кристалле, где каждый атом находится на своем месте, а какие-либо нарушения структуры (примеси, внутренние дефекты) полностью отсутствуют. Эта теория хорошо описывала многие свойства кристаллических тел (электропроводность, теплопроводность и т. п.). Но как только дело доходило до определения прочности на разрыв, наблюдалось громадное расхождение между теоретическими предсказаниями и экспериментальными результатами. Прочность реальных кристаллов оказывалась в сотни раз ниже теоретической. Например, теория указывает, что каменная соль должна выдерживать напряжения до 200 кг/мм², а в действительности кристаллы каменной соли разрываются уже при нагрузке в 400 г/мм².

Академик А. Ф. Иоффе первый понял причину этого громадного расхождения. Дело в том, что реальный кристалл существенно отличается от идеального. Как внутри, так и на поверхности его имеется много различных скрытых дефектов. Например, в каком-нибудь узле кристаллической решетки поваренной соли вместо атома натрия оказался атом хлора или серы, а иногда вообще никакого атома нет. На поверхности кристалла при сильном увеличении можно увидеть разветвленную сеть микроскопических трещин, резко понижающих его прочность.

Чтобы убедиться в этом, А. Ф. Иоффе произвел в 1924 г. поразительно простые опыты, которые с тех пор вошли во все курсы общей физики под названием «эффекта Иоффе». Погружая кристаллы каменной соли в теплую воду, он растворял тонкий поверхностный слой вместе с присущими ему дефектами и показал, что при этом прочность кристаллов возрастала в 10–20 раз.

В другой серии опытов выточенные из кристаллов каменной соли шары медленно охлаждались до температуры жидкого воздуха, а затем быстро погружались в расплавленный свинец. При этом согласно теории внутри шаров должно было возникать внутреннее напряжение (за счет быстрой смены сжатия на расширение) порядка 70 кг/мм². Но шары не разрывались, свидетельствуя о том, что подлинная внутренняя прочность каменной соли близка к теоретическому пределу.

Идеально упругое кристаллическое тело после прекращения воздействия деформирующей силы должно немедленно возвратиться в исходное недеформируемое[3] состояние. В действительности же всякая деформация оставляет за собой медленно исчезающий след — так называемое упругое последействие. Кроме того, предсказываемый теорией предел упругости, за которым твердое тело начинает течь подобно вязкой жидкости, также значительно выше реально наблюдаемой величины.

А. Ф. Иоффе первым создал метод экспериментального исследования механизма пластической деформации кристаллических тел. Суть этого метода состоит в последовательном наблюдении дифракции рентгеновских лучей, проходящих через кристалл, медленно деформируемый под влиянием внешних сил. Опыты, проделанные с кристаллами каменной соли, показали, что до определенного предела нагрузки никаких изменений на полученных лауэграммах не наблюдается. При достижении предела текучести пятна на рентгенограмме внезапно раздваиваются, затем умножаются и, наконец, вытягиваются в длинные хвосты. Это свидетельствует о том, что за пределом упругости образцы перестают быть правильными монокристаллами; они распадаются на отдельные монокристаллики, которые смещаются и поворачиваются относительно своих соседей. Каждый из них дает свою систему пятен Лауэ, суммирующуюся с пятнами от других монокристалликов. Такое явление было названо астеризмом, а предложенный А. Ф. Иоффе метод стал одним из основных методов исследования механизма деформаций кристаллических тел.

Продолжая эти исследования, А. Ф. Иоффе установил, что пластическая деформация происходит в кристалле не непрерывно, как думали до той поры все физики, а скачкообразно. При непрерывно действующей нагрузке деформация идет скачками, повторяющимися через одинаковые промежутки времени и даже сопровождающимися слабыми щелчками, напоминающими тиканье часов.

Этими, а также и некоторыми другими работали А. Ф. Иоффе заложил фундамент современных представлений о механизме прочности и пластичности реальных твердых тел. Он подал физикам глубокую идею о необходимости изучения различных дефектов кристаллической решетки, чрезвычайно сильно влияющих на многие свойства твердых тел.

Продолжая эти исследования, ученики А. Ф. Иоффе член-корреспондент АН СССР С. Н. Журков и академик А. П. Александров еще в 1933 г. получили бездефектные кварцевые и стеклянные нити, обладающие гигантской прочностью. Недавно в Физико-техническом институте АН СССР им. А. Ф. Иоффе было получено стекло с прочностью, в несколько раз превосходящей прочность стали.