Comments 11
Очень интересно, как-то давно тоже интересовался этим вопросом и даже посчитал. Нужно взять шаг кристаллической решетки (для железа 3Е-10 м), на его основе определить сколько атомов приходится на площадь 1 кв. м, затем взять прочность материала (измеряется в МПа) и разделить на число атомов. Для высокопрочной стали получилось около 1000 пиконьютонов (очень приблизительно).
Разве так можно вычислять? "Рвётся там, где тоньше всего". Применительно к бруску стали - скорее всего там, где локальная "каверна" в поверхности создает больший по глубине выщербленный объем, чем в соседних участках. Плюс, сама по себе решётка не обладает ли свойством вторичных усиливающих "конструкцию" эффектов, ну, например, ближайшим аналогом которых является "уголок с диагональной балкой прочности", какой, например, используется для подвеса обычной книжной полки на вертикальную стену? Я говорю о том, что деление "площади на количество узлов" без соответствующих коэффициентов не учитывает то, что каждый узел имеет не одну связь с соседним узлом, а, как минимум, несколько, плюс, возможно, "диагональные" эффекты должны иметь место.
Я просто хочу понять, как оно там на микроуровне работает и применимы ли к этому уровню те же соображения, что применяются в проектировании макрообъектов.
В разрушении хрупких материалов важную роль играет распространение трещин, а в пластичных - скольжение дислокаций.
Если я правильно понял, описанная выше сталь - это хрупкий материал на начальной стадии слома и пластичный на конечной стадии (когда оставшийся неразорванным участок составляет доли процента от общей площади слома, как понимаю, не в последнюю очередь вввиду нагрева и перехода между агрегатными состояниями). У высокопрочных сталей гладкая (идеально ровная) поверхность слома, как минимум, не обязательна, а, скорее всего, в реальности никогда не встречается. То есть, имеет место быть множественное распространение трещины вдоль диагональных линий по кристаллической решетке материала. А это, в свою очередь, увеличивает эффективную площадь поверхности слома и, следовательно, количество связей, которые необходимо разорвать, всегда больше, чем простое произведение площади поверхности идеального среза на удельную плотность атомов. То есть, опять же оценка в 1000пН должна быть очень завышена.
Допускаю, что я мог ошибиться в 2-3 раза, поскольку округлял безжалостно. Насчет трещин и прочих неоднородностей. Сталь - достаточно однородная субстанция и трещины там - явление достаточно редкое. Трещины как правило возникают либо при многократных нагружениях (когда например мы ломаем проволоку), либо в хрупких материалах, таких как чугун.
Соответственно, когда нагрузка прилагается к стальному бруску, на мой взгляд, картина следующая: происходит разрыв очень незначительного количества атомарных связей, где имеет место неравномерность и постепенное напряжение большинства атомарных связей. При дальнейшем повышении нагрузки происходит разрыв все большего количества связей. Однако, в отличие от макромира, в металле разорванные связи сразу же заменяются новыми. И это называется "пластическая деформация", т.е. такая деформация, когда материал не возвращается в исходное состояние после снятия нагрузки, например когда мы согнули проволоку. Таким образом, в стали работают практически все связи. Очень хороший материал, с предсказуемыми свойствами, поэтому его так любит Илон Маск )
В целом сталь деформируется и разрушается пластически, т.е. путём скольжения дислокаций (и особенно на начальной стадии). Для упрочнения нужно затруднить движение (скольжение и переползание) дислокаций. Для этого её легируют и подвергают термомеханической обработке, чтобы сформировать нужную структуру, иногда добавляют наночастицы оксидов. Существует множество сталей с разными прочностными свойствами. При определённых условиях возможно и хрупкое разрушение. Честно говоря, материал довольно обширный и описать его даже грубо на пальцах в рамках комментария невозможно. Если вам интересно, полистайте Физическое материаловедение Том 4 под редакцией Калина (есть в свободном доступе). Там на 45 странице есть параграф про необходимость введения представлений о дислокациях. Но в этой книге в основном написано про металлы, а есть ещё ковалентные и ионные кристаллы, аморфные материалы и т.д.
Большое Вам и @raamid спасибо за развёрнутые комментарии.
Зонд микроскопа оканчивается отдельным атомом меди.
В свое время в игре One Must Fall: 2097 у одного из роботов по сюжету было оружие настолько острое, что его кромку составлял одна молекула. Тогда это казалось научной фантастикой.
The points of the "spikes" come to a single molecule, which gives Thorn a punch that can cut through normal metal like paper.
Игра 1994 года.
Кончики атомных силовых микроскопов тоже буквально пара атомов, а им под десятки лет как технологии.
ЕМНИП, есть алмазные скальпели, расколотые так, чтобы кромка была толщиной в 1 атом и предназначенные для нарезания тончайших срезов мозговых тканей.
Upd. Загуглил, самые тонкие - всё-таки десятки атомов толщиной.
Плоскостной меч — оружие Сектора 000-17, изобретённое на Таре, меч с полукруглой гардой из тускло-серого сплава, надёжно защищающей кисть. Покрытая эластичным рубчатым пластиком рукоять густого чёрного цвета. На торце рукояти — круглая красная кнопка заточки. Клинок нежно-голубой, почти белый, сантиметра в четыре шириной. Лезвие меча микронной толщины. Когда его ломает другой атомарный меч, раздаётся свистящий звук, напоминающий, как острая бритва вспарывает бумагу. Плоскостное лезвие почти невесомо, но ножны тяжелы. Хранится в магнитных ножнах.
Заточка производится нажатием на кнопку. При этом серое полушарие эфеса светится неярким голубым огнём. По нему пробегают несколько светящихся кругов, сходящихся к лезвию. Круги сжимаются в тонкий мерцающий ободок, дрожащий на основании клинка. Светящийся ободок набухает, отрывается от металла, превращаясь в сплющенное колечко белого пламени. Потрескивая, с характерным запахом озона, колечко скользит вверх по клинку. На острие меча пламя сжимается в белый огонёк, касается острия и угасает, словно втягивается в металл.
От трения о воздух лезвие затупляется, его толщина становится равной 3-4 и более атомам. В обычных условиях это не страшно, но при прямом столкновении мечей сломается более тупой меч. Разрез от хорошо наточенного атомарного меча так мал, что через две-три секунды неподвижности клетки тела вновь срастутся. Металл меча производят на специальных заводах и затачивают там же. С заточкой нельзя злоупотреблять, меч выдерживает 1500 циклов, не больше. На плоскостном клинке никогда не остаётся даже капли крови.
Атомарник создали в лабораториях императора Тара Восьмого, откуда он разошёлся по галактике, принеся уважение и неслыханную прибыль планете Тар. Сергей изобрёл технику боя непрерывной заточкой.
С. Лукьяненко «Лорд с планеты Земля», М.: ООО «Издательство АСТ», 2004. — Звездный лабиринт
Физики измерили механическое усилие, разрывающее химическую связь