» » Теоретическая и фактическая прочность на сдвиг
22.01.2015

Как уже было изложено ранее, пластическая деформация кристаллита происходит благодаря сдвигу одной плоскости кристаллита по другой. На поверхности кристаллита возникают при этом ступени скольжения, высота которых имеет порядок величин параметра решетки или кратна целому числу. Ступени скольжения можно обнаружить на полированной поверхности уже при нагрузках ниже предела текучести. Это означает, что уже в упругой области появляются микроскольжения и, таким образом, происходят изменения в структуре материала. Лишь этот факт объясняет, наконец, образование установленных трещин и усталостных разрушений при нагрузках ниже предела текучести.
Если предполагается, что плоскость с определенным и равномерным расположением атомов до некоторой степени двигается как жесткое образование по принятой подобной второй плоскости, то все атомы одновременно преодолевают силы притяжения и силы отталкивания. Образующееся при этом соотношение между силами и величиной скольжения плоскостей в первом приближении подчиняется функции синуса (рис. 7.2.1). Теоретически максимальное значение напряжения сдвига τth при скольжении таким образом и означает прочность на сдвиг:
Теоретическая и фактическая прочность на сдвиг

где G — модуль сдвига.
Уточненные теоретические оценки формы и характера межатомных сил дают для прочности на сдвиг величину τth = G/30.
Из этих оценок следуют теоретические значения прочности на сдвиг монокристалла:
Теоретическая и фактическая прочность на сдвиг

Значения, измеренные фактически при комнатной температуре на монокристаллах, составляют, однако, для Fe только 20 Н/мм2, для Al только 1Н/мм2. Правда, возможно из паровой фазы выделить очень тонкие нитевидные кристаллы ("усы"), которые почти не содержат нарушений в своем атомарном построении. Такие "усы" обладают фактической прочностью порядка величин теоретической прочности на сдвиг.
Различия на 2-3 порядка величин между теоретической и фактической прочностью на сдвиг в реальных кристаллах объясняются действием определенных нарушений в атомарном строении, в частности одномерных дефектов, которые называются дислокациями. Благодаря таким дислокациям в кристалле один атомный ряд больше не перемещается над другим, а одна "волна скольжения" двигается над плоскостью. Благодаря этому происходит сдвиг отдельных атомов друг против друга уже не одновременно, а друг за другом в соответствии с движением "скользящей, или сдвиговой волны".
Теоретическая и фактическая прочность на сдвиг

Этот вид скольжения соответствует движению дислокации по плоскости скольжения, причем во временной последовательности движения участвуют лишь атомы, непосредственно соседствующие с двигающейся линией дислокации. Процесс движения одной дислокации можно наглядно отобразить, если ввести дополнительный шарик в верхний атомный ряд (рис. 7.2.2), изображенный шарами, так, что верхний ряд не располагается больше на ямках нижнего ряда. Благодаря этому внесенные и соседствующие шарики выведены из состояния равновесия. Под действием внешней силы сдвига шарики, выведенные из состояния равновесия, стремятся снова в него вернуться. При этом перемещается место внесенных шаров над нижним рядом шаров до тех пор, пока не завершится атомарный переход и верхний ряд шаров не расположится снова на ямках нижнего ряда.
Подобным образом можно наглядно представить завершение описанного атомного скольжения; например, плоскость подобно ковру не сдвигается как целое одновременно на атомарный переход; по этому ковру пробегает одна складка (соответственно волна скольжения), ковер затем испытывает перемещение от скольжения.
Теоретическая и фактическая прочность на сдвиг

При переносе этой модели на решетку изменение потенциальной энергии, соответственно возникающей при этом силе сдвига, больше не определяется равномерным расположением атомов в направлении сдвига. В сдвиге, как было показано, участвуют лишь атомы, соседствующие с дислокацией. Таким образом, скольжение обеспечивается с помощью дислокаций, которые проходят по плоскости скольжения через решетку, требуя существенно меньших сил, чем вычисленные при принятии жесткого движения двух ненарушенных атомных рядов.