Как образуются трещины в металле?

Мое недавнее видео про проведение усталостных испытаний металлов инициировало запрос подписчика о том, как на атомном уровне происходит разрушение металла и как образуется трещина. Что ж, попытаюсь рассказать простым языком о механизме зарождения трещин.

Итак, я уже рассказывал о том, что металлы состоят из кристаллической решетки ионов, находящихся в ее узлах. Про свободные электроны сегодня говорить не будем, хотя, конечно же, они тоже участвуют в разрушении, но там теория более сложная. Будем, как в старые добрые, оперировать атомами-шариками.

Металлы отличаются от других веществ тем, что они способны сравнительно сильно пластически деформироваться, т.е. ведут себя, как пластилин. Виной этому, в том числе, все тот же электронный газ, выступающий в качестве смазки, и позволяющий атомным плоскостям беспрепятственно двигаться друг относительно друга.

В реальной жизни не бывает металлов, имеющих совершенно идеальную кристаллическую решетку, где атомы один к одному стоят на одинаковых расстояниях друг от друга. В них всегда есть разные дефекты. Где-то не хватает одного атома и на месте него дырка (вакансия), а где-то этот атом лишним встает между узлами решетки. Встречаются атомы других элементов (примеси), хаотично расположенные между или вместо атомов решетки. Различные микровключения, более крупных размеров также часто можно найти в металле. Но самым распространенным, играющим большую роль в пластической деформации, является дефект, представляющий собой отсутствие в определенном месте части плоскости атомов. Этот дефект называется дислокация. Выглядит это примерно так, как на первом рисунке. Т.е. сверху плоскостей на одну больше, чем снизу.

Вообще дислокации – главные друзья тех, кто занимается металлами, т.к. они живут своей жизнью и устроили себе там внутри целый мир со своими правилами, определяющими конечные свойства материала. Когда мы прикладываем к материалу нагрузку, то при достижении ее определенных значений дислокации начинают двигаться каждая в своей плоскости. Это и происходит при пластической деформации. Лучше всего их движение понять на анимации, которую я хотел сделать сам, но потом нашел неплохое видео и вырезал оттуда (второй медиафайл).

И вот когда идет непрерывная деформация, дислокация при движении встречает на своем пути другой более крупный дефект, например, более твердое микроскопическое включение какого-то химического соединения. Такие включения часто присутствуют в металле, и могут быть как хорошими, так и плохими с точки зрения свойств. Встретив препятствие дислокация может упереться в него и остановиться. А следом за ней в этой же плоскости может идти вторая дислокация, которая также остановится. Затем третья, четвертая и т. д. В конце концов перед этим препятствием образуется целое скопление врезавшихся друг в друга дислокаций. А так как дислокация – это отсутствие части плоскости атомов, скопление врезавшихся друг в друга дислокаций, приводит к исчезновению нескольких плоскостей внутри кристалла, т.е. возникновению объемной пустоты - трещины. Из-за увеличенного расстояния между двумя краями этой пустоты межатомные связи ослабевают, и при продолжении прикладывания к металлу усилий происходит их разделение и рост трещины.

На третьей картинке как раз схематично показано, как выглядит скопление дислокаций, перерастающее в трещину.

Это один из механизмов разрушения (но не единственный), которому предшествует пластическая деформация. Я постарался не углубляться в теорию, а попытался чисто геометрически показать, как это работает. Получилось, кстати, достаточно кратко, и, надеюсь, понятно. Лучше всего, конечно, это понимается на рисунках или анимациях.

Тема вообще не сильно популярна, и здесь закинул тестово. Пишите в комментариях свои вопросы.