Прочность хрупких кристаллов и рассказ об усах
Все, что мы говорили,довольно хорошо объясняет прочность стекол и таких аморфных минералов,как кремень или вулканическая лава обсидиан. Но подавляющее большинствотвердых тел, природных и искусственных, имеет кристаллическую структуру.Существует своего рода предрассудок, что кристаллические материалы не могутбыть прочными. Так, слесарь, обнаружив сломанный коленчатый вал или какую-либодругую деталь автомобиля, может сказать, что "она кристаллизовалась". Вкаком состоянии была эта деталь до "кристаллизации", он не объяснит, ясно,что она не была аморфной. Нет нужды повторять, что все металлы, почти всеминералы, большинство керамических материалов и привычные нам сахар и соль- вещества кристаллические. Соображения здравого смысла вряд ли приведутк заключению, что только регулярная упорядоченная упаковка атомов или молекулможет быть причиной малой прочности твердого тела. И действительно, этоне так.
Однако, когда мы имеем дело с твердыми хрупкими кристаллами, на практикеих прочность оказывается даже ниже, чем прочность монолитного стекла, ив своем "сыром" виде неметаллические кристаллы вполне заслуживают тогопрезрения, с которым к ним относятся инженеры.
Теперь самое время поговорить об "усах". Мы часто слышим о "металлическихусах", как если бы они были единственным типом усов. На самом же деле этиусы менее обычны и менее интересны, чем неметаллические, поэтому мы будемговорить главным образом о последних. Усы, о которых пойдет речь, не имеютничего общего с человеческим волосом и представляют собой длинные тонкиеигловидные кристаллы, которые могут быть случайно или преднамеренно выращеныиз большинства веществ. Существует много способов их выращивания. Толщинаусов обычно составляет 1–2 мкм, хотя их длина может измеряться миллиметрамии даже сантиметрами.
Рис. 22. Усы, растущие на металличеcкой поверхности
Иногда усы вырастают случайно на металлических поверхностях (рис. 22),и, когда эта поверхность оказывается элементом электрической схемы, вполневозможно короткое замыкание, которое иногда оказывается досадным, иногдадорогостоящим, а порой и опасным, смотря по обстоятельствам. Такого родаметаллические усы были известны довольно давно, но к ним относились развечто с некоторым любопытством, когда к этому не примешивалось чувство досады.Так продолжалось до 1952 года, когда Херрингу и Голту случилось изогнутьнесколько оловянных усов. Они заметили при этом, что при деформации ~2%усы остаются упругими. Такая упругая деформация соответствовала напряжению,которым никто никогда не нагружал не только олово, но и, возможно, никакойдругой металл. Это было похоже на поведение тонких волокон с аномальновысокой прочностью, что, естественно, привлекло к себе огромное внимание.
Херринг и Голт работали с оловом. Олово - металл, а от металла каждыйпочему-то ожидает прочности. Меня же в то время занимал вопрос, можно лисделать прочными и обычно слабые неметаллические кристаллы. И вот однажды,это было в 1954 году, я зашел на склад химических реактивов и попросилдать мне что-нибудь такое, что растворялось бы в воде, а кристаллизовалосьбы в виде игл. Кладовщик дал мне бутылку с гидрохиноном, веществом, котороеобычно используется в фотографических проявителях. Бутылка была полна сухихкристаллов толщиной примерно в обычную иглу и около сантиметра длиной.Оперируя скальпелем, я быстро понял, что их прочность пренебрежимо мала.Затем я растворил несколько гидрохиноновых кристаллов в воде, нанес каплюэтого раствора на предметное стекло микроскопа и стал ждать, когда водаиспарится. В процессе испарения в поле зрения микроскопа вырастали игольчатыекристаллики, которые были намного меньше растворенных мною.
Новые кристаллы имели нитевидную форму. Вначале они были так тонки,что их едва можно было различить в оптический микроскоп. Пошевелив их иглой,я обнаружил, что эти маленькие нити очень прочны, но установить точно,насколько они прочны, - было очень непросто (рис. 23).
Рис. 23. Нитевидные кристаллы, или усы гидрохинона,растущие из водного раствора. Обратите вниамние на неясное изображение- это ус, который освободился от мешающих ему механических ограниченийи выпрямляется (параллельные полосы вызваны дифракцией - это моя оплошность!)(100).
Это меня взволновало, и очень скоро я начал пробовать кристаллы разныхвеществ, взятых с полок собственной лаборатории и лабораторий своих коллег.Некоторых навыков и минимальной хитрости было достаточно, чтобы получитьв виде очень тонких нитей - усов кристаллы почти любого растворимого твердоговещества. В ход пошли горькая соль и даже хлористый натрий, обычная повареннаясоль. И во всех случаях усы оказывались прочными. Можно было предположить,что их прочность как-то связана с влажностью их поверхности. В 20-е годырусский ученый А.Ф. Иоффе обнаружил, что некоторые вещества после смачиваниястановились прочнее. Правда, есть и такие вещества, которые при этом, наоборот,разупрочняются. Однако, насколько я мог определить, высушивание усов несказывалось заметно на их прочности.
На этой стадии работы было много трудностей. Например, мы не имели достаточнонадежных методов измерения прочности усов.
Обычно мы изгибали усы под микроскопом с помощью игл; измерив приблизительнотолщину и радиус кривизны, можно было определить деформацию при разрушениис помощью простой теории изгиба балок. Можно себе представить, сколь дьявольскинеудобен и неточен был этот метод.
Усы обычно зарождались в виде чрезвычайно тонких нитей, которые затемстановились толще. Заметив это, я усовершенствовал методику изгиба: призарождении уса я начинал взбалтывать воду и затем оставлял усы утолщатьсядо тех пор, пока они не ломались. Это была менее грубая методика, но всееще весьма неудовлетворительная.
Как раз в это время (1956 год) ко мне пришел работать Дэвид Марш и буквальнопервыми его словами были: "Почему бы не сделать подходящую разрывную машину?"Кажется, я без обиняков прогнал его, посоветовав не заниматься глупостями. Усыбыли слишком малы, чтобы рассмотреть их невооруженным глазом, мнепредставлялось, что нельзя сделать испытательную машину для столь крошечныхобразцов. Марш ушел и занялся отнюдь не глупостями: он возвратился смикроиспытательной машиной, которая на удивление всем… работала.Сконструировал и построил он ее сам. Один из вариантов машины Марша (Марк-III)пошел в серийное производство, и сегодня, пожалуй, не найдется ни однойуважающей себя лаборатории, которая бы ее не имела. На этой замечательноймашине можно при необходимости испытывать волокна с поперечным сечением 0,1мкм (по существу их не видно в оптический микроскоп) и длиною около четвертимиллиметра. Она способна измерять удлинения менее чем 5 А, что соответствуетпримерно разрешению хорошего электронногомикроскопа.
Располагая таким устройством, мы могли уже получить вполне реальные результаты.С самого начала мы обнаружили, что высокая прочность может быть полученапочти на всех кристаллах, от горькой соли до сапфира, лишь бы кристаллимел форму тонкого уса. В этом случае не имели значения ни химическая природакристалла, ни метод, которым он был выращен. Мы испробовали, должно быть,сотню различных веществ, так что никаких сомнений относительно этого неоставалось.
Построив график зависимости прочности уса от его толщины, мы обратиливнимание на то, что кривая для каждого данного типа усов была чертовскипохожа на аналогичную кривую для стеклянных волокон (глава2). Более того, когда мы посмотрели на зависимость от толщины не прочности,а деформации при разрушении, то обнаружили, что все точки для всех испытанныхусов лежат на одной и той же кривой. Так, на рис. 24, например, показаназависимость деформации при разрыве от толщины усов двух резко различающихсявеществ - кремния и окиси цинка. Разделить эти кривые невозможно.