Ранее было отмечено, что на механические свойства мате­риалов, и в частности металлов, основное, решающее влияние ока­зывают поверхностные дефекты, дислоцированные по границам кристаллических зерен и блоков.

На границах зерен металлов скапливаются легкоплавкие неме­таллические примеси (например, сульфиды и фосфиды, окислы, мелкие поры и т.д.), которые резко ухудшают механические свойства. Тугоплавкие включения (например, МnS, с Т_лл = 1620°С; А1₂О₃ с Т_пл = 2050°С), наоборот, входят внутрь зерна; они являются центрами кристаллизации, и при этом образуется мелкозернистая структура, что приводит к существенному увеличению механической прочности (σ_в).

Наличие в реальных кристаллах большого количества дислока­ций и вакансий приводит к значительному снижению механической прочности. Например, прочность реальных кристаллов на сдвиг на 3 – 4 десятичных порядка ниже расчетной прочности идеальных кристаллов. Или – у технически чистого отожженного образца Fе, содержащего 0,1…0,2 % примеси, предел прочности на разрыв σ_в = 28 кгс/мм² (280 МПа), а у нитевидных кристаллов («усов») чис­того Fе с содержанием примеси 0,001 %, у которых дефекты сведены к минимуму (практически нет), σ_в = 1336 кгс/мм² (13360 МПа), т.е. у «усов», больше в 48 раз, чем у технически чистого Fе. Однако у стали (железа, «испорченного» углеродом и другими присадками и поэто­му имеющего высокую концентрацию дефектов) σ_в больше, чем у чистого железа, в 6—8 раз и равно 180…220кгс/мм² (1800…2200 МПа).

Приведенные данные показывают, что самую высокую прочность имеет железо, содержащее либо минимальную, либо максимальную кон­центрацию дефектов. Следовательно, прочность кристаллических тел с увеличением концентрации дефектов (дислокаций) до какого-то предела снижается, а далее возрастает. Это явление объясняет дислокационная теория пластической деформации.

Важнейшее свойство дислокаций – их легкая подвижность и активное взаимодействие между собой и с любыми другими дефек­тами решетки. Это взаимодействие затрудняет перемещение дисло­каций в кристалле и тем самым упрочняет его. Чтобы вызвать дви­жение дислокаций, достаточно создать в кристалле небольшое напряжение сдвига (например, 0,1 кгс/мм²). С увеличением пласти­ческой деформации кристалла плотность дислокаций возрастает в тысячи, иногдав миллионы раз (в недеформированных металли­ческих кристаллах через площадку в 1 см² проходит 10⁶…10⁸ дисло­каций). При этом возрастает также концентрация других дефектов, которые затрудняют перемещение дислокаций; в результате кри­сталл упрочняется.

Таким образом, дефекты кристаллической ре­шетки металла являются тем препятствием, которое затрудняет движение дислокаций и упрочняют металл. Поэтому, чтобы повы­сить прочность металлов, необходимо либо уменьшить концентра­цию дефектов в них, получая бездефектные кристаллы, например нитевидные кристаллы («усы»), либо получать поликристалличе­ские однородные тела с повышенной плотностью дислокаций, под­вижность которых ограничивают. Подвижность дислокаций огра­ничивают, увеличивая деформацию кристаллической решетки и тем самым увеличивая концентрацию дефектов. Это достигается путем легирования, закалки или наклепа металла. При этом плот­ность дислокаций не должна превышать 10¹²…10¹³ см^-2, так как при большей плотности дислокаций металл становится хрупким.

Легирование – это введение в металл небольших количеств спе­циальных примесей, которые приводят к значительным его струк­турным изменениям. Легирующие добавки сильно взаимодействуют с дислокациями и затрудняют их движение, улучшая тем самым ме­ханические характеристики.

Закалка – это термическая обработка, заключающаяся в нагреве металла выше температуры фазового превращения в твердом состоя­нии, выдерживании при этой температуре и контролируемом уско­ренном охлаждении. В результате этих операций в металле увеличи­вается концентрация дефектов, в том числе плотность дислокаций, а также образуется мелкозернистая структура, поэтому протяженность границы между зернами резко возрастает. Сама же граница трудно­проходима для дислокаций, что приводит к затруднению их движе­ния и упрочнению металла.

Наклеп – это обработка металлической заготовки путем прокат­ки, ковки или волочения. В результате пластической деформации металла увеличивается плотность дислокаций (и концентрация дру­гих дефектов), а главное – дислокации при этой обработке перепле­таются, что приводит к затруднению их движения и упрочнению ме­талла. На этом принципе было основано производство дамасской стали.

Указанные технологические операции (легирование, закалка, на­клеп) создают оптимальную концентрацию дислокаций.