ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Об элементарных актах процесса, ведущего к разрушению твердых тел из "Кинетическая природа прочности твердых тел" В предыдущем параграфе были приведены общие соображения в пользу того, что процесс, ведущий к разрушению тела, является по своей природе термофлуктуационным. Однако детально характер этого процесса для конкретных твердых тел не обсуждался. Использование картины рвущихся межатомных связей носило скорее иллюстративный характер. [c.121] В этом параграфе мы попытаемся конкретизировать ход флуктуационного разрушения применительно к телам различного строения металлам и полимерам. В этом рассмотрении мы будем опираться на абсолютные значения начальной энергии активации разрушения ( 7о) и поведение этой характеристики при том или ином изменении состояния тела. [c.121] Обратим внимание на то обстоятельство, что информацию о процессах на атомно-молекулярном уровне, т. е. о микропроцессах, мы будем стремиться получить из данных по изучению макрохарактеристики — долговечности тела под нагрузкой. Это вынуждает с осторожностью относиться к выводам из такого рассмотрения, поскольку переходы от микро- к макроявлениям могут быть весьма сложными. [c.121] Подобные вопросы практически не возникают, когда анализируется температурная зависимость таких явлений и характеристик, как, например, скорость испарения, упругость насыщенного пара, скорость химических реакций и т. п. Здесь связь микро- и макрохарактеристик совершенно очевидна. [c.121] Разумеется, эти процессы могут быть значительно более сложными, чем изолированные разрывы межатомных связей. Мы коснемся этого вопроса здесь и в части П1. [c.121] Каждый атом металла находится в более или менее симметричном окружении и взаимодействии с соседними. Суммарная энергия связи атома с ближним окружением складывается, в основном, из примерно одинаковых энергий связи атома с каждым из нескольких ближайших соседей (хотя выделение бинарных связей в решетке металла является в значительной мере условным). [c.122] В кристаллической решетке металлов возможны различные процессы активационного характера, которые в общем можно разделить на процессы образования разных дефектов точечных, линейных и поверхностных, и на процессы перемещения дефектов. Например образование вакансий и междуузельных атомов, движение и взаимодействие точечных дефектов, испарение атомов (с поверхности или во внутренние полости), коагуляция вакансий и т. д. [c.122] Эти процессы идут с энергиями активации величиной в десятки ккал/моль, причем энергии активации образования дефектов, как правило, превышают энергии активации перемещения дефектов [21, 240—245]. [c.122] В процессе испарения атомов с поверхности металлов в каждом акте отрыва атома от кристаллической решетки в среднем разрывается число связей, соответствующее примерно половине координационного числа — числа связей атома в узле решетки внутри металла [21]. [c.122] Это обусловлено тем, что испарение кристаллических тел идет послойно, причем испаряются последовательно атомы, сидящие в вершинах угловых ступенек очередного поверхностного слоя (схема на рис. 54). Каждый такой угловой атом и удерживается числом связей, близким к половине числа связей, характерного для атома во внутреннем узле решетки. [c.122] Приведенная энергетическая оценка для процесса сублимации показывает, как составляется баланс энергии макропро-цесса, набирающейся из энергии разрыва одиночных межатомных связей. При этом мы не хотели бы создавать впечатления о сводимости процесса разрушения металлов именно к испарению атомов на том основании, что энергии этих процессов оказались близкими друг другу. Разумеется, и такой процесс возможен настоящее испарение атомов из устья трещин, рост трещин за счет этого и разрушение металла. Но, естественно, могут быть иные процессы, энергия которых совпадает с сублимационной в силу того, что их элементарные акты состоят из разрыва близкого числа межатомных связей. Обратимся к одному из таких процессов, который представляется нам достаточно правдоподобным. [c.123] Если рассматривать распад куска металла на две части (разрыв металлического тела) как рассоединение двух соседних атомных слоев, то нетрудно видеть, что энергия такого разрыва в расчете на каждый атом будет значительно меньше, чем энергия сублимации, так как число разрывающихся связей для каждого атома существенно меньше половины общего числа связей в узле. Но одновременный отрыв одного атомного слоя от другого и постепенное разделение этих слоев путем последовательных разрывов отдельных межатомных связей представляют собой разные события с точки зрения путей затраты энергии (хотя, разумеется, общий баланс энергии должен сохраняться). [c.123] Проще всего представить разделение тела на части можно как прорастание трещины через сечение образца. Скорость разрущения в этом случае равна скорости продвижения фронта трещины. [c.123] В механическом плане такое продвижение можно рассматривать как одновременное движение линейного фронта с некоторой скоростью. Картина флуктуационного разрушения путем последовательного распада межатомных связей выглядит иначе. Она представляется состоящей из отдельных прорывов атомного масштаба с последующим спрямлением фронта трещин (рис. 55). Сущность флуктуационного механизма такова, что направленное и согласованное перемещение одновременно значительного числа атомов есть маловероятное событие. Поэтому тот или иной коллективный атомный процесс легче осуществить последовательно из малых флуктуационных актов, чем одновременно в результате одной огромной флуктуации, вероятность возникновения которой ничтожна. [c.123] Напомним, как в настоящее время представляется флуктуа-ционное перемещение другого линейного дефекта в кристаллической решетке — дислокации. Это происходит путем возникновения элементарного двойного перегиба (рис. 56) с последующим его расширением в обе стороны вдоль по линии дислокации. [c.124] Важно подчеркнуть здесь, что энергия активации первичного выброса на линии дислокации — зародыша двойного перегиба,— существенно выше энергии активации расширения перегиба. Поэтому скорость движения дислокации и определяется в основном ожиданием акта зарождения перегиба. [c.124] Не делая более детальной оценки, отметим поэтому, что энергия активации роста трещины должна возрасти по сравнению с энергией при прямом разделении слоев, и приблизиться к энергии сублимации (поскольку сближаются количества межатомных связей, разрывы которых составляют как основу сублимации, так и основу разрушения). [c.125] Подчеркнем еще раз, что рассмотренная модель разрушения ни в коей мере не претендует на однозначность, а является лишь иллюстративным примером. [c.125] Совпадение величины энергии активации разрушения металлов именно с энергией сублимации может оказаться весьма важным при выборе определенных гипотез о характере элементарных актов, ведущих к разрушению металлов. [c.125] Однако такая интерпретация требует осторожности, так как и энергии активации других процессов, таких, как самодиффузия, образование внедренных атомов (т. е. внутренняя сублимация ), движение дислокаций со ступеньками, пересечение дислокаций, образование на дислокациях двойных перегибов, отрыв дислокаций от препятствий и т. д., также близки по величине к энергии сублимации. Кроме того, нетрудно комбинацией из нескольких разных процессов получить суммарную энергию активации, совпадающую по величине с сублимационной. [c.125] Вернуться к основной статье