Навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів, які навчаються за напрямом підготовки «Прикладне матеріалознавство» icon

Навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів, які навчаються за напрямом підготовки «Прикладне матеріалознавство»




НазваНавчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів, які навчаються за напрямом підготовки «Прикладне матеріалознавство»
Сторінка1/13
Дата27.05.2013
Розмір2.23 Mb.
ТипНавчальний посібник
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   13


Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Сумський державний університет


В. О. Пчелінцев, А. І. Дегула


МЕХАНІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ТА

КОНСТРУКЦІЙНА МІЦНІСТЬ МАТЕРІАЛІВ


Навчальний посібник


Рекомендовано Міністерством освіти і науки, молоді та спорту України


Суми

Сумський державний університет

2012

УДК 548/549(075.8)

ББК 30.3я73

П 92

Рецензенти:

О. Б. Гірін – доктор технічних наук, професор ДВНЗ «Український державний хіміко-технологічний університет» (м. Дніпропетровськ);

^

В. Б. Тарельник – доктор технічних наук, професор Сумського національного аграрного університету;

О. Д. Погребняк – доктор фізико-математичних наук, професор Сумського інституту модифікації поверхні

^

Рекомендовано Міністерством освіти і науки,

молоді та спорту України

як навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів,

які навчаються за напрямом підготовки

^

«Прикладне матеріалознавство»

(лист № 1/11-17554 від 12.11.2012)

П 92

Пчелінцев В. О.

^

Механічні властивості та конструкційна міцність матеріалів : навч. посіб. / В. О. Пчелінцев, А. І. Дегула. – Суми : Cумський державний університет, 2012. – 247 с.

ISBN 978-966-657-449-0

У посібнику коротко розглянуті особливості будови поверхневих шарів, що формуються при різних технологічних процесах, і вплив поверхні на міцність матеріалу. Наведені класифікація механічних випробувань та особливості визначення характеристик міцності матеріалів під час розтягнень, ударного впливу і втомних досліджень при кімнатній та підвищеній температурах. Особливу увагу приділено вивченню питань конструкційної міцності та руйнування металів. Розглянуті питання підвищення експлуатаційних властивостей матеріалу деталей машин за рахунок використання прогресивних технологій термічної обробки і вибору матеріалів.

Посібник може бути корисним для студентів-матеріалознавців ІІІ – IV рівнів акредитації під час вивчення дисципліни «Механічні властивості та конструкційна міцність» та виконання комплексних, випускних кваліфікаційних і самостійних робіт з дисциплін навчального плану спеціальності 8.090101 «Прикладне матеріалознавство».


УДК 548/549(075.8)

ББК 30.3я73



ISBN 978-966-657-449-0

© Пчелiнцев В. О., Дегула А. І., 2012

© Сумський державний університет, 2012


ЗМІСТ




С.

Вступ……………………………………………………………

5

1 Основні поняття про будову, структуру і властивості

металів……..……………………………………………........


6

1.1 Теоретична і технічна міцність……...................................

6

1.2 Недосконалість кристалічних ґраток…………………….

10

1.3 Субмікроскопічні та мікроскопічні дефекти структури…

21

1.4 Макроскопічні дефекти………………………....................

29

2 Особливості будови поверхні і приповерхневих шарів…...

39

2.1 Геометрія поверхні………………………………………...

39

2.2 Дія зовнішнього середовища на поверхневий шар……..

45

2.3 Вплив якості поверхні на міцність……………………….

60

3 Напруження та деформація…………….……….…………..

67

3.1 Метод перерізів………………………………………….....

67

3.2 Схеми напруженого стану при механічних

випробуваннях……………………………………………..


75

3.3 Класифікація механічних випробувань………….……….

82

3.4 Умови подібності механічних випробувань……………..

85

3.5 Вплив «масштабного фактора»……………………………

89

3.6 Поняття про діаграму механічного стану.……………….

92

4 Випробування на розтягування…………………………….

96

4.1 Визначення характеристик міцності під час

розтягування……………………………………………….


96

4.2 Визначення характеристик пластичності………...............

103

4.3 Випробування напруження і деформації при

розтягуванні .………………………………………………


107

4.4 Графічні способи визначення характеристик міцності…

109

5 Пружні властивості й неповна пружність металів…............

121

5.1 Константи пружних властивостей…………..……………

121

5.2 Фактори, що впливають на пружні властивості…………

124

5.3 Непружність і внутрішнє тертя………….………………..

128

6 Руйнування…………………………………………………..

133

6.1 Основні поняття………………………………..………….

133

6.2 В'язке руйнування………………………………...............

136

6.3 Крихке руйнування……………………………………….

138

6.4 Роль концентраторів напружень у крихкому

руйнуванні………………………………………………………


142

7 Випробування на ударну в'язкість…………………………

150

7.1 Напружений стан під час випробування…………………

150

7.2 Метод оцінки ударної в'язкості й холодноламкості….....

154

7.3 Способи визначення роботи зародження і розвитку

тріщини……………………………………………………..


159

8 Випробування при високих температурах…………………

165

8.1 Жароміцність………………………………………………

165

8.2 Повзучість………………………………………………….

166

8.3 Тривала міцність…………………………………………...

173

9 Механічні властивості, що визначаються при циклічному

навантаженні…………………………………………………


176

9.1 Характеристика навантажень та особливості

руйнування при втомі…………..........................................


176

9.2 Вплив стану поверхні…….………………………………..

183

10 Конструкційна міцність і методи її підвищення…………

187

10.1 Конструкційна міцність. Критерії її оцінки ……………

187

10.2 Параметри, що обумовлюють довговічність сталі……..

192

10.3 Параметри надійності сталі іта методи їх визначення…

197

10.4 Розкриття тріщини та її роль в оцінці в'язкості

руйнування пластичних матеріалів……………………..


208

10.5 Поняття про живучість металу………………………….

210

10.6 Методи підвищення конструкційної працездатності

деталей машин……………………………………………


213

11 Випробування на твердість……………………………......

221

11.1 Загальна характеристика…………………………............

221

11.2 Твердість при вдавлюванні………………………………

224

11.3 Інші способи визначення твердості……………………..

233

11.4 Визначення мікротвердості……………………………...

235

Тестовий контроль засвоєння лекційного матеріалу….…….

237

Список літератури……………………………………………..

245



ВСТУП


Із різноманітних властивостей металів – основних матеріалів, що використовуються у машинобудуванні, – найважливішими є механічні властивості: пружність, міцність, твердість, пластичність, опір втомі та повзучість, чутливість до концентраторів напружень, опір руйнуванню, які в більшості випадків є основними для вивчення і доцільності застосування того або іншого металу.

Знання механічних властивостей важливе як для конструкторів, так і для технологів. Дослідження природи властивостей металевих матеріалів показало, що найважливіші властивості, зокрема опір пластичній деформації і руйнуванню, залежать від особливостей структурного стану металу. При цьому до поняття структури металу входять не лише загальні характеристики металографії – зерно, структурний стан самих зерен і частинок, а також і дефекти кристалічної будови атомних ґраток металів. Енергетичні характеристики руйнування більш чутливі, ніж зміцнювальні, до різного роду окрихчувальних факторів і вони полегшують прогноз поведінки матеріалу в умовах експлуатації.

У технологічних і структурних діях на матеріал закладені великі можливості підвищення конструкційної міцності. Наприклад, збільшення здатності матеріалу до поглинання енергії шляхом прискорення і полегшення мікрорелаксації напружень, а також зменшення внутрішніх розтягувальних напружень шляхом вимкнення джерел цих напружень.

Успішне розв’язання названих задач можливе тільки при узгодженій роботі фізиків, механіків, конструкторів, технологів і металознавців.

^ 1 ВПЛИВ ДЕФЕКТІВ БУДОВИ НА ВЛАСТИВОСТІ МЕТАЛІВ


1.1 Теоретична і технічна міцність


Широке використання металів у сучасній техніці пов'язане з тим, що вони мають комплекс механічних властивостей: хороші пластичність і в'язкість поєднуються у них з високою міцністю, пружністю і твердістю. Дослідження природи властивостей металевих матеріалів показало, що більшість найважливіших властивостей у різних умовах навантаження залежить від особливостей тонкої кристалічної будови.

Під технічною міцністю розуміють опір реальних тіл пружній і пластичній деформації та руйнуванню. Технічну міцність визначають експериментально. Теоретичну міцність визначають з умов деформації або руйнування в пружній області ідеальних ґраток монокристала, в якій дії зовнішнього навантаження протистоїть міжатомний зв'язок. Міцність міжатомного зв'язку в кристалах є основним фактором, що визначає опір деформації і руйнуванню металів.

Енергія міжатомного зв'язку в металах є роботою дисоціації металевого кристала при абсолютному нулі на газ позитивних іонів та електронів.

Загальна потенційна енергія U взаємодії іонів та електронів (енергія зв'язку) є функцією міжатомної відстані й для твердого стану може бути подана напівемпіричним виразом вигляду

,

де А і В – константи; r – атомний радіус.

У цьому рівнянні член А відповідає енергії електростатичного тяжіння між позитивними іонами та електронами, а B/r2 – кінетичної енергії електронів, що обумовлює дію сили відштовхування у кристалі.

Сила зв'язку σ, що характеризує чутливість загальної потенційної енергії системи атомів до зміни міжатомної відстані, дорівнює похідній енергії за міжатомною відстанню:

σ = -(dU/dr)

Залежності потенційної енергії і сили зв'язку від міжатомної відстані подані на рис. 1.1 і 1.2.




а б

Рисунок 1.1 – Залежність потенційної енергії (а) і міжатомної сили зв'язку (б) від міжатомної відстані r:

I – енергія відштовхування; II – енергія тяжіння; III – сила тяжіння; IV – сила відштовхування



Рисунок 1.2 – Залежність міжатомної сили зв'язку від міжатомної відстані r

Максимальне значення міжатомної сили зв'язку σmaх у точці r1 і є теоретичною міцністю при розтягуванні, розрахунок якої на одиницю площі наведений нижче за Н. Петчем.

Початкову ділянку кривої на рис. 1.1 б і 1.2 можна приблизно подати співвідношенням

.

Роботу, витрачену при руйнуванні на розділення двох атомних площин і віднесену до одиниці поверхні (відповідає заштрихованій площі на рис. 1.1 б і 1.2), можна приблизно подати такою формулою:

.

Ця робота дорівнює поверхневій енергії 2U двох поверхонь, що знову утворилися. Таким чином,

.

Із співвідношення σ випливає, що

,

оскільки в даній частині кривої .

Оскільки для початкової ділянки кривої за законом Гука

,

то

.

У той же час із раніше одержаних виразів маємо

.

Використовуючи дані співвідношення, можна записати, що теоретична міцність при розтягуванні

.

Теоретична міцність кристалічних тіл, обчислена за зазначеною формулою, як правило, в сотні разів перевершує значення міцності металів.

Однак вивчення міцності при розтягуванні ниткоподібних кристалів (вусів), проведене останнім часом, показує, що вони володіють міцністю, яка наближається до теоретичної, – від 7·103 до 14·103 МПа. Наприклад, міцність при розтягуванні ниткоподібних кристалів заліза становить 13360 МПа, міді – 3020 МПа, цинку – 2250 МПа, міцність тих самих металів, одержаних звичними методами, відповідно становить 302,2 і близько 180 МПа.

Теоретичні розрахунки опору зрушенню також показують величезну розбіжність із результатами експериментальних досліджень.

Невідповідність між теоретичною і фактичною міцністю кристалічних тіл є результатом того, що внутрішня будова реального металу відрізняється від ідеального.

Кристалічні ґратки реального твердого тіла мають багато дефектів, відхилень структурних елементів від правильного положення.

Для звичайних умов отримання металу дефектність і неоднорідність зерен – явища нормальні та практично неминучі. При розрахунку теоретичної міцності не враховуються структура металу зі всією її недосконалістю і пластична деформація, яка часто передує руйнуванню.

Для кількісної оцінки енергії і сил міжатомного зв'язку в кристалічних тілах можуть бути використані енергія сублімації, середня квадратична амплітуда теплових коливань, температура плавлення, характеристична температура (температура Дебая), параметри дифузії, пружні сталі й інші фізичні величини. Однак під час вирішення проблеми міцності не всі вони рівноцінні, оскільки по-різному пов'язані з механізмом пластичної деформації і руйнування металів.

Глибокий аналіз цих величин і можливості використання їх для оцінки міцності міжатомного зв'язку, проведений С. Т. Кишкіним, К. А. Осіповим, показує, що немає однозначної кількісної залежності між міцністю кристалічних тіл і якої-небудь із цих фізичних величин, прийнятої за міру міжатомного зв'язку. Це обумовлено тим, що міцність є структурно-чутливою властивістю матеріалу в пружній і пластичній областях.

Однак, незважаючи на те, що не спостерігається однозначної залежності між опором пластичної деформації, опором руйнуванню і величинами, що характеризують міжатомний зв'язок, усе ж таки можна відзначити певну тенденцію збільшення міцності з підвищенням температури плавлення або енергії зв'язку.


^ 1.2 Недосконалість кристалічних ґраток


Для того щоб мати правильне уявлення про властивості металу, необхідно ознайомитися з тими різноманітними порушеннями реального кристалічного тіла, що впливають на його міцність. Спотворення атомних ґраток залежно від їх геометрії підрозділяються на точкові, лінійні й поверхневі, іноді їх називають нульвимірними, одно- і двовимірними. Точкові дефекти – це порушення ґраток в ізольованих одна від одної точках (рис. 1.3).

До таких дефектів належать вакансії (вузли ґраток, у яких немає атомів), атоми проникнення або заміщення сторонньої речовини, які розміщені у вузлах або міжвузловинах основної речовини. Розміри цих дефектів приблизно дорівнюють атомному діаметру. Для вакансій характерні значна нестійкість і легкість зсуву під дією теплових флуктуацій. Вони можуть об'єднуватися в групи і колонії, створюючи зародок субмікроскопічної порожнини – тріщини. Вакансії можуть також утворювати «атмосфери» навколо дислокацій. Надлишок вакансій (для даної температури) можна створити різними методами: різким зниженням температури (гартуванням), сильною деформацією кристалічних ґраток, бомбардуванням твердого тіла атомами або частинками з високою енергією. Утворення і зникнення вакансій у твердому тілі викликають зміну його щільності.

При тепловій рівновазі в кристалах завжди є незаповнені вузли атомних ґраток (вакансії) (рис. 1.3 а); у деяких кристалах число вакансій при високих температурах доходить до 2% за об'ємом.




а б в

Рисунок 1.3 – Точкові дефекти в кристалічних ґратках:

а – вакансії; б – міжвузловий атом; в – домішкові атоми заміщення та проникнення


Виникнення вакансій пояснюється тим, що частина атомів унаслідок випадкового надлишку енергії (флуктуації) покидає свої місця. Атом, що при цьому вискочив, може виявитися або в міжвузловинах, або ж зовсім вийти за ґратки, на грань кристала. Чим вища температура, тим більше вакансій у ґратках і тим легше вони переміщаються.

Вакансії можуть змінювати своє положення в кристалі, під впливом несприятливих дій накопичуватися в деяких зонах, створюючи зародок субмікроскопічної порожнини – тріщини. Наявність вакансій порушує нормальну взаємодію між атомами.

^ Атоми проникнення. Шляхом дифузії у тверді тіла потрапляють атоми сторонніх речовин (рис. 1.3 б, в), дотичних із даним тілом. В основному це атоми газів з навколишнього середовища, але можлива і дифузія між твердими тілами при їх тісному контакті. У сплавах атоми домішок також потрапляють у ґратки основного металу.

Атом, що проникає шляхом дифузії в атомні ґратки кристала, порушує правильність останньої, оскільки його взаємодія з основними атомами відрізняється від взаємодії однорідних атомів; у ґратках виникає спотворення. Вплив домішок на міцність дуже великий. Атоми проникнення є точковими дефектами структури кристала.

Дислокації. Лінійні недосконалості, що мають малі розміри у двох вимірах і велику протяжність у третьому вимірі, називаються дислокаціями.

Згідно із сучасним уявленням дислокації виконують вирішальну роль у деформації кристала.

Крайова дислокація – це локалізоване викривлення кристалічної гратки, що викликане наявністю в ній «надлишкової» атомної напівплощини (рис. 1.4).

Тейлор уперше встановив функціональну залежність між прикладеним зсувним напруженням зрушення і відстанню між крайовими дислокаціями з урахуванням їх знака і розподілу.



а б в

Рисунок 1.4 – Крайова дислокація: а – зміщення атомних площин під дією вектора Бюргерса; б – схема розташування атомів біля дислокації; в – розміщення дислокацій щодо площини ковзання М-М


Для випадку, коли всі дислокації в кристалі паралельні та розподілені у вигляді рядів дислокацій різних знаків, що рівномірно чергуються, рівняння має вигляд



де G – модуль зсуву; λ – стала ґратки;

F – коефіцієнт, що характеризує розподіл дислокацій;

d – відстань між дислокаціями у рядах.

Згідно з рівнянням опір деформації монотонно зростає із зменшенням відстані між дислокаціями у рядах, тобто чим більше зближують дислокації, тим сильніша їх взаємодія і тим більший опір зрушенню кристала. Тейлор також вважав, що досконалий кристал здатний протистояти дуже великому напруженню.


Крім крайових, розрізняють ще і гвинтові дислокації (рис. 1.5). Це пряма EF, навколо якої атомні площини зігнуті за гвинтовою поверхнею. В цьому випадку кристал можна розглядати як складений з однієї атомної площини, яка закручена у вигляді гвинтової поверхні.



а б

Рисунок 1.5 – Просторова модель утворення гвинтової дислокації


Ідея про залежність міцності від недосконалості будови кристала набула свого подальшого розвитку у працях А. І. Одінга із співавторами. Ними запропоновані схеми залежності опорів деформації (міцності) від кількості спотворень у ґратках. Характер зміни кривої міцності від числа дефектів кристалічної будови схематично показаний на рис. 1.6. На цій кривій міцності можна виділити такі чотири ділянки. Початковій точці (а) відповідає міцність кристала без дефектів, так звану теоретичну міцність ідеальних кристалічних ґраток, у якій всі атоми одночасно сприймають дію навантаження (σвусів – міцність монокристалічних вусів).

Ділянка кривої міцності (аb) відповідає знеміцненню металу і його сплавів унаслідок виникнення обмеженого числа дефектів у їх кристалічній будові.




Рисунок 1.6 – Залежність міцності від числа недосконалості в кристалічних ґратках металів і сплавів


Ділянка (bс) становить зміцнення металів і сплавів унаслідок збільшення числа недосконалості в кристалічній структурі. Із збільшенням щільності дислокацій зменшується відстань між дислокаціями, а це призводить до посилення взаємодії дислокацій між собою і з іншими дефектами ґраток. При цьому опір руху дислокацій зростає, а отже, зростає і опір деформації (зміцнення), міцність металу збільшується.

Оскільки дислокаціям належить вирішальна роль у процесах пластичної деформації і руйнування, деякі дослідники вважають, що ділянка кривої (bс) лежить в інтервалі щільності дислокацій (приблизно) від 104–108 до 1012 см-2. Ділянка (cd) відповідає граничному насиченню дефектами кристалічних ґраток, при якому відбувається втрата несучої здатності матеріалу. Метал у цьому стані має, як правило, велику щільність дислокацій. Гранична щільність дислокацій, здатна викликати руйнування кристала, становить 1014–1015 см-2 (при рівномірному розподілі по всьому об'єму). Вища середня щільність дислокацій у кристалах не спостерігається.

Основна­ ідея теорії дислокацій полягає у такому – за колишніми уявленнями, дія зовнішніх сил приводить до рівномірного зсуву в атомних ґратках кристала: за напрямом найщільнішої «упаковки» всі атоми одного ряду одночасно зсуваються щодо атомів сусіднього ряду. За теорією ж дислокацій переміщення відбувається нерівномірно. Унаслідок цього в перерізі кристала, перпендикулярному до осі й до площини ковзання, виникає така картина: кількості атомів у двох рядах – з однієї і з іншої сторін площини ковзання – різняться на одиницю. Тому в області зрушення в якомусь місці атомних ґраток проти інтервалу одного ряду виявляється зайвий атом сусіднього ряду по той бік площини ковзання (рис. 1.4 б). Це ядро дислокації, що становить слід лінії дислокації (остання перпендикулярна до площини креслення – лінія AD). Біля дислокації деякі атоми зближуються між собою, а інші розсунені. Таким чином, найбільш характерне для дислокації те, що вона є місцевим порушенням правильного порядку атомів. Дислокації можуть розміщуватися щодо площини ковзання (М-М) у верхній частині кристала (рис. 1.4 в), і тоді вона вважається позитивною (), або в нижній частині, і тоді вона вважається негативною (┬).

Лінії дислокацій можуть закінчуватися виходом на межу (поверхню) кристала. Усередині кристала дислокація не може обірватися раптово – так, щоб далі тягнулась область правильної атомної структури; тому у внутрішніх зонах кінці ліній дислокацій повинні якось з'єднуватись, утворюючи замкнені системи. Звідси випливає, що повинні існувати і складніші види дислокацій. Крім того, як припускають, існують й «великі дислокації», які можуть бути розкладені на ряд простих дислокацій; ці великі дислокації ще менш стійкі, ніж прості.

За сучасними уявленнями дислокації розглядаються як джерело виникнення пластичних ковзань. До припущення про наявність якихось систематичних дефектів у кристалах фізиків привела різка розбіжність між теоретичною і фактичною міцністю металів. Згідно з теорією кристалічних ґраток Борна виходить, що в ідеальних ґратках напруження, необхідне для зрушення рядів атомів на одну міжатомну відстань, приблизно дорівнює величині модуля зрушення G (за найстрогішими підрахунками ). Тим часом, за дослідними даними, для виникнення ковзання достатнє напруження всього від 10-4 до 10-5 G.

Рухливість дислокації у площині ковзання – одна з її найважливіших властивостей. Вона тісно пов'язана з відносним зсувом шляхом ковзання однієї частини кристала по іншій. Звідси зрозуміло, яку велику роль виконують дислокації в теорії пластичних деформацій; цим дислокації особливо виділяються серед інших дефектів ґраток, наприклад вакансій, переміщення яких не спотворює форми кристала.

У зоні дислокації виникає поле пружних напружень, викликаних спотворенням атомних ґраток. Найбільше напруження – в центрі (ядрі).

Цікавою властивістю дислокацій є те, що вони ніби притягують у свою зону розчинені атоми; відбувається це тому, що такі атоми легше розміщуються в зонах з неправильною структурою; за наявності домішок (а вони, як правило, завжди є) в зоні дислокації утворюється атмосфера сторонніх атомів. Навіть при найбільшій теоретично можливій щільності дислокацій (1012 см-2) домішка всього в 0,06-0,1% дає в середньому по одному чужому атому на кожній атомній площині кожної дислокації. При пластичній деформації такі атоми можуть під час зміщення дислокацій утримуватися на місці. У картині розвитку пластичної деформації це має істотне значення.

Особливе значення мають дислокації в граничних шарах кристалів, де правильність структури дуже порушена, перш за все в межах між блоками. Можна вважати, що сам розпад кристаліту на блоки, орієнтовані один до одного під дуже малими кутами, викликаний скупченням дислокацій, які утворюються у процесі кристалізації. Дійсно, дислокації одного знака прагнуть згрупуватися в деякі системи, що розділяють окремий кристал на малі блоки.

Якщо при пластичному вигині скривлюються атомні ґратки кристала, це може бути приписано випадковому нестійкому розміщенню дислокацій, що знов утворилися (рис. 1.7 а). При відпалі такого кристала дислокації переміщаються, утворюючи висхідні шари, які розділяють тіло кристала на невеликі блоки. У цьому положенні дислокації стійкі; викривлення ґраток у межах блоку усувається, але самі блоки залишаються розміщеними один до одного під малими кутами (рис. 1.7 б). Така картина підтверджується дослідами. Це явище називається полігонізацією.



f

а б

Рисунок 1.7 – Формування в нестійкій структурі (а) малокутових меж між блоками (б) за рахунок переміщення дислокацій

Теорія дислокацій може бути використана для пояснення механізму ковзання, що є основою пластичної деформації.

Якщо напруження від зовнішніх навантажень невеликі, то зв'язок дислокації з оточуючими її атомами проникнення не може бути зруйнований, тому можливе тільки сумісне переміщення, що відповідає законам дифузії. Виникає повільне переміщення, що відповідає деформаціям тривалої повзучості.

При звичайному статичному випробуванні розвиваються великі зовнішні дії, достатні, щоб подолати зв'язок між дислокацією та атомами проникнення. Тому вона переміщається швидко, залишаючи за собою упроваджені атоми проникнення; звільнені дислокації переміщаються легко без необхідності дії значних сил, що нагадує явище текучості м'якої сталі. Котрелл показав, що числове значення сили, необхідної для відриву дислокації від атомів вуглецю в α-залізі, відповідає напруженню межі текучості.

Дуже важливим у теорії дислокацій є питання про їх зародження. З цієї точки зору дислокації можуть бути розділені на дві категорії: дислокації, що утворюються в процесі кристалізації, і дислокації, що виникають під час деформації. Для другої категорії є задовільна гіпотеза Франка-Ріда.



Рисунок 1.8 – Стадії роботи джерела Франка-Ріда


Під дією напруження τ (рис. 1.8 а) дислокація, що закріплена в точках А і В, вигинається (рис. 1.8 б). І зрештою настає момент, коли дві симетричні спіралеподібні частини дислокації стискаються (рис. 1.8 д). Сформована петля (рис. 1.8 е) не закріплена і поширюється за всіма напрямками, а вихідна дислокація АВ повторює цикл.

Значно важче пояснити природу первинних дислокацій, хоча наявність їх обґрунтована теорією росту кристалів Франка і доведена спостереженнями. Теоретичного пояснення виникнення первинних дислокацій фізика ще не дала. Проте на основі спостережень можна припустити деякі джерела цього явища.

На кристалах йодиду кадмію та йодиду свинцю, що ростуть, спостерігається такий розвиток. Спочатку зародки у вигляді якнайтонших пластинок мають бездефектну будову й однорідну товщину. Потім раптово з'являються спіральні піднесення, що свідчать про утворення дислокацій. Франк пояснює це вигином зародкової пластинки через неоднорідний розподіл напружень: вигин, що супроводжує зрушення, не повністю знімає напруження, унаслідок чого виникають дислокації. Напруження, що спричинюють вигин, можуть з'явитися внаслідок неоднорідного розподілу домішок, тиску суміжних зародків, конвекційних струмів. Дослідами доведене виникнення спіралей росту одразу ж після натиску паличкою (кристали йодиду кадмію). Те, що ріст кристала призводить до порушення внутрішньої рівноваги, доводить виникнення зрушень у процесі росту (рис. 1.9).

Дендритна кристалізація також здатна породити дислокації, оскільки при правильному зростанні гілки дендрита зрощуються під дуже малими кутами, що сприяє утворенню дислокацій. Центри спірального росту знайдені при заростанні вхідних кутів дендритних кристалів.




а б

Рисунок 1.9 – Утворення зрушень (а) і центрів спірального росту (б) в процесі кристалізації

Причиною зародження дислокацій уже в самому зародку можуть бути нерівності підкладки поверхні, на якій росте кристал.

Така у загальних рисах теорія дислокацій, яка прийнята ученими, якнайчіткіше і правдоподібно пояснює цілий ряд різноманітних властивостей кристалів – таких, як зростання кристала, пластична деформація, явище текучості й зміцнення, утворення і властивості міжкристалітних прошарків, виникнення вакансій та ін.

Якщо раніше теорія дислокацій знаходила лише непрямі підтвердження, то тепер накопичено досить фактів, які прямо її підтверджують. Існування дислокацій можна вважати доведеним. Проте безперечне і те, що ця теорія ще дуже далека від досконалості й завершеності. У такому вигляді теорія є важливим етапом на шляху проникнення у фізичну суть процесу деформації кристалів.

  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   13

Схожі:

Навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів, які навчаються за напрямом підготовки «Прикладне матеріалознавство» iconНавчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів, які навчаються за напрямом підготовки «Енергетичне машинобудування»
М48 Монтаж, експлуатація, обслуговування холодильних і теплонасосних установок: навчальний посібник
Навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів, які навчаються за напрямом підготовки «Прикладне матеріалознавство» iconНавчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів, що навчаються за напрямом "Електронні пристрої та системи"
Рекомендовано Міністерством освіти і науки України як навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів, що навчаються...
Навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів, які навчаються за напрямом підготовки «Прикладне матеріалознавство» iconС. В. Нестеренко Охорона праці в будівництві
С. В. Нестеренко. Охорона праці в будівництві.: Навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів освіти, які навчаються...
Навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів, які навчаються за напрямом підготовки «Прикладне матеріалознавство» iconНавчальний посібник для студентів медичних вищих навчальних закладів та лікарів-інтернів
Рекомендовано Центральним методичним кабінетом з вищої медичної освіти моз україни як навчальний посібник для студентів вищих медичних...
Навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів, які навчаються за напрямом підготовки «Прикладне матеріалознавство» iconХарківська національна академія міського господарства т. Д. Рищенко будівельне матеріалознавство
...
Навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів, які навчаються за напрямом підготовки «Прикладне матеріалознавство» iconНавчальний посібник для студентів вищих медичних навчальних закладів IV рівня акредитації
Рекомендовано центральним методичним кабінетом з вищої медичної освіти моз україни як навчальний посібник для студентів вищих медичних...
Навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів, які навчаються за напрямом підготовки «Прикладне матеріалознавство» iconПерелік пріоритетних напрямів освіти І науки для навчання студентів та аспірантів, стажування наукових І науково-педагогічних працівників у провідних вищих навчальних закладах та наукових установах за кордоном
Металургія та матеріалознавство, зокрема прикладне матеріалознавство, фізичне матеріалознавство
Навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів, які навчаються за напрямом підготовки «Прикладне матеріалознавство» iconПерелік пріоритетних напрямів освіти і науки для навчання студентів та аспірантів, стажування наукових і науково-педагогічних працівників у провідних вищих навчальних закладах та наукових установах за кордоном
Металургія та матеріалознавство, зокрема прикладне матеріалознавство, фізичне матеріалознавство
Навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів, які навчаються за напрямом підготовки «Прикладне матеріалознавство» iconНавчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів
Рекомендовано Міністерством освіти і науки України для студентів вищих навчальних закладів
Навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів, які навчаються за напрямом підготовки «Прикладне матеріалознавство» iconПерелік пріоритетних напрямів освіти і науки для навчання студентів та стажування аспірантів, наукових інауково-педагогічних працівників у провідних вищих навчальних закладах та наукових установахза кордоном у 2011 році
Металургія та матеріалознавство, зокрема прикладне матеріалознавство, фізичне матеріалознавство
Додайте кнопку на своєму сайті:
Документи


База даних захищена авторським правом ©zavantag.com 2000-2013
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання відкритою для індексації.
звернутися до адміністрації
Документи