Металлы с высокой и низкой пластичностью

Металлы с высокой пластичностью (алюминий, золото, медь, никель, свинец, серебро) при нормальных условиях имеют гранецентрированную кубическую решетку с ячейками в форме куба, в вершинах которого и в центре граней располагаются атомы. Другая группа металлов (менее пластичных, чем первая) — ванадий, вольфрам, литий, молибден, тантал, хром — обладает объемноцентрированной кубической решеткой с ячейками в форме куба, атомы здесь располагаются в вершинах (восемь атомов) и в центре (один атом) куба. Более сложную (гексагональную) решетку имеют бериллий, кадмий, магний, титан, цинк. Эта решетка имеет вид шестигранной призмы, в вершинах и в центрах оснований которой расположено по одному атому, еще три атома размещены внутри призмы. Сталь же, как наиболее прочный сплав, часто используются для производства таких изделий, как рольставни и ворота в городе Оренбург. При воздействии на металла внешних сил происходит смещение (сдвиг) отдельных слоев кристаллической решетки; однако благодаря способности электронов перераспределяться, свободно перемещаясь относительно друг друга, связи между слоями сохраняются и металл, изменяя свою форму, не разрушается.

Итак, деформация осуществляется путем сдвига, скольжения атомных плоскостей. Однако расчет сил, необходимых для одновременного сдвига одной части кристалла относительно другой, показал, что теоретическая прочность металла, его способность сопротивляться пластической деформации в тысячи и даже в десятки тысяч раз превышает реальную, то есть ту, которая обнаруживается на практике. В чем же причина этого громадного расхождения между действительным поведением металла и тем, которое ему «предписано» теорией? В любой области человеческих знаний на подобный вопрос можно ответить однозначно — причина в несовершенстве теории, ибо критерий истины — практика.

Для объяснения поведения реальных металлов была предложена так называемая дислокационная теория. Дислокации — это дефекты в строении кристаллической решетки, возникающие в результате неполного сдвига одной части кристалла относительно другой. Вот как это происходит. Когда к кристаллу прикладывается сила, половина крайней атомной плоскости (полуплоскость) сдвигается внутрь кристалла до тех пор, пока не сблизится со следующей атомной плоскостью. В результате половина этой второй плоскости разорвется и сдвинется, уступая место первой полуплоскости. А в кристалле появится дополнительная полуплоскость, ее-то и называют дислокацией. Пока на кристалл действует сила, дислокация будет двигаться по нему, продолжая обрывать и восстанавливать атомные плоскости. Таким образом, процесс сдвига происходит постепенно, шаг за шагом (длина этого шага —одно межатомное расстояние), распространяясь вдоль плоскости скольжения и захватывая все большую ее часть. Важно отметить, что при этом разрываются не одновременно все атомные связи между верхней (сдвигаемой) и нижней частями кристалла, а только связи вдоль одной атомной линии. А для этого требуются уже значительно меньшие нагрузки, чем те, которые нужны для одновременного сдвига по всей плоскости скольжения. Следует отметить, что в природе такой «прием» нередок, примером может служить «механизм» передвижения червяка или гусеницы с помощью периодического перемещения складки, волнообразование.