Металловедение основы строения металлических материалов icon

Металловедение основы строения металлических материалов




НазваМеталловедение основы строения металлических материалов
Сторінка1/3
Дата23.06.2012
Розмір0.74 Mb.
ТипДокументи
  1   2   3

РАЗДЕЛ ВТОРОЙ


МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ


3. Основы строения металлических материалов

3.1. Основные сведения о строении металлических материалов

Все металлы и металлические сплавы – тела кристаллические, атомы (ионы) расположены в металлах закономерно в отличие от аморфных тел, в которых атомы расположены хаотично.

Металлы (если их получают обычным способом) представляют собой поликристаллические тела, состоящие из большого числа мелких (10-1 – 10-5 см) различно ориентированных по отношению друг к другу, кристаллов.

Вследствие условий кристаллизации они имеют неправильную форму и называются кристаллитами или зернами.

Все наиболее характерные свойства металлов объясняются наличием в них легкоподвижных коллективизированных электронов проводимости. Атомы металлов имеют на внешнем энергетическом уровне небольшое число электронов. Связь внешних электронов с атомом характеризуется работой выхода электронов (или ионизационным потенциалом), т.е. рабо­той, необходимой для удаления электронов из изолированного атома. Если для металлов ионизационный потенциал составляет 4—9 эВ, то у неметаллов величина его, как правило, превышает 10 эВ при однократ­ной ионизации (т. е. при отрыве одного электрона). Ионизационный потен­циал промежуточных элементов (Si, As, Se и др.) составляет 8—10 эВ. Эти данные показывают, что внешние электроны слабо связаны с ядром и по­этому они находятся в относительно свободном состоянии, образуя электронный газ. Металлическое состояние возникает в комплексе атомов, когда при их сближении внешние электроны теряют связь с отдельными атомами, ста­новятся общими, т. е. коллективизируются и свободно перемещаются ме­жду положительно заряженными и периодически расположенными ионами. Устойчивость металла, представляющего собой таким образом ионно-электронную систему, определяется электрическим притяжением между положительно заряженными ионами и обобщенными электронами. Такое взаимодействие между ионным скелетом и электронным газом получило название металлической связи.

Сила связи в металлах определяется силами отталкивания и силами притяжения между ионами и электронами и не имеет резко выраженного направленного характера. Атомы (ионы) располагаются на таком расстоянии друг от друга, чтобы энергия взаимодействия была минимальной (рис.3.1, а).

Как видно из рис.3.1, а, кривая результирующей силы пересекает ось абсцисс в точке ^ А, где отталкивающие и притягивающие силы уравновешиваются. Величина а0 соответствует равновесному расстоянию между атомами. Сближение атомов (ионов) на расстояние, меньшее а0, или удаление их на расстояние, большее а0, осуществимо лишь при совершении определенной работы, против сил отталкивания и притяжения. В связи с этим в металле атомы располагаются закономерно, образуя правильную кристаллическую решетку, что соответствует минимальной энергии взаимодействия атомов.

Атомы (ионы) занимают положение с минимальной потенциальной энергией. Атомы, составляющие поверхностный слой, обладают повышенной потенциальной энергией (рис.3.1, б).





Рис.3.1 - Силы взаимодействия двух атомов в зависимости от межатомного расстояния (а) и изменение потенциальной энергии атомов в кристаллической решетке (б)


Приведенные положения позволяют объяснить характерные свойства металлов. Высокая электропроводность металлов объясняется присутствием в них свободных электронов, которые перемещаются в потенциальном поле решетки. С повышением температуры усиливаются колебания ионов (атомов), образуются вакансии и нарушается правильная периодичность потенциального поля, что затрудняет движение электронов, в результате чего электросопротивление возрастает. При низких температурах колебательное движение ионов (атомов) сильно уменьшается и электропроводность возрастает. У некоторых металлов в результате образования пар электронов, движущихся упорядочено при очень низких температурах (<20К), электропроводность обращается в бесконечность, явление сверхпроводимости. Высокая теплопроводность металлов обусловливается большой подвижностью свободных электронов, и в меньшей степени, колебательным движением ионов.

Высокая пластичность металлов объясняется периодичностью их атом­ной структуры и отсутствием направленности металлической связи. В про­цессе пластической деформации (ковка, прокатка и т. д.) металла, т.е. при смещении отдельных его объемов относительно других, связь между иона­ми (атомами) не нарушается. Кристаллы с ковалентной или ионной, т.е. с направленной связью хрупки, так как при деформации эта связь нарушается.

Чистые металлы в обычном структурном состоянии обладают низкой прочностью и не обеспечивают во многих случаях требуемых свойств, поэтому они применяются сравнительно редко. Наиболее широко используются сплавы. Сплавы получают сплавлением или спеканием порошков двух или более металлов или металлов с неметаллами. Они обладают характерными свойствами, присущими металлическому состоянию. Химические элементы, образующие сплав, называют компонентами. Сплав может состоять из двух или большего числа компонентов.

^ 3.2. Атомно-кристаллическая структура металлов

Под атомно-кристаллической структурой понимают взаимное расположе­ние атомов, существующее в кристалле. Кристалл состоит из атомов (ионов), расположенных в определенном порядке, который периодически пов­торяется в трех измерениях.

Для описания атомно-кристаллической структуры пользуются понятием пространственной или кристаллической решетки.

Кристаллическая решетка представляет собой воображаемую простран­ственную сетку, в узлах которой располагаются атомы (ионы), образую­щие металл (твердое кристаллическое тело). Пример такой кристаллической решетки приведен на рис.3.2. Жирными линиями выделен наименьший параллелепипед, последовательным перемещением в пространстве которого вдоль трех осей может быть построена вся решетка или кристалл.



Наименьший объем кристалла, дающий представление об атомной структуре металла во всем объеме, получил название элементарной кристаллической ячейки.

Пространственные решетки подразделяют на семь систем – сингоний, исходя из соотношения между осевыми единицами и углами.


Рис.3.2 - Кристаллическая решетка
Обозначим ребра ячейки (параллелепипеда) через а, b и с, углы между ребрами ?, ? и ? (рис.3.2). Тогда семь кристаллографических систем будут соответствовать следующим формам ячеек:

1) триклинная: и ;

2) моноклинная: и ;

3) ромбическая: и °;

4) гексагональная и ;

5) ромбоэдрическая: а = b = с; ;

6) тетрагональная: ;

7) кубическая: а = b = с; .

Кристаллические решетки, в которых на долю одной элементарной ячейки приходится один атом, называют простыми. Решетки, в которых на долю одной элементарной ячейки приходится несколько атомов, называют сложными.

Металлы образуют одну из следующих высокосимметричных сложных решеток с плотной упаковкой атомов: кубическую объемно-центрирован­ную, кубическую гранецентрированную и гексагональную.

В кубической объемно-центрированной решетке атомы (рис.3.3, а) расположены в узлах ячейки и один атом - в центре объема куба. Кубическую объемно-центрированную решетку имеют следующие металлы: Na, Та, W, V, Fe?, Cr, Nb, Ва и др.

В кубической гранецентрированной решетке атомы расположены в углах куба и в центре каждой грани (рис.3.3, б). Этот тип решетки имеют металлы Са?, Се, Sr?, Th, Pb, Sc, Ni, Ag, An, Pd, Pt, Rh, Ir, Fe?, Cu, Co? и др.

В гексагональной решетке (рис.3.3, в) атомы расположены в углах и цен­тре шестигранных оснований призмы и три атома в средней плоскости призмы. Эту упаковку атомов имеют металлы Hf?, Mg, Ti?, Cd, Re, Os, Ru, Zn, Co?, Be, Ca?, La?, Tl?, Zr? и др. Наконец, некоторые металлы (Sn?, In) имеют тетрагональную решетку.

Размеры кристаллической решетки характеризуются величинами перио­дов, под которыми понимают расстояние между ближайшими парал­лельными атомными плоскостями, образующими элементарную ячейку. Период решетки измеряется в ангстремах (см) или килоиксах (1кХ= 1,00202-10-8 см). Период решетки металлов находится .в пределах от 1 до 7Ǻ.

Нетрудно видеть, что на одну элементарную ячейку объемно-центриро­ванной решетки в целом приходятся два атома: один атом в центре куба и один атом по массе суммарно вносят атомы, располагающиеся в вер­шинах куба (каждый атом в вершине куба одновременно принадлежит во­сьми сопряженным элементарным ячейкам и на данную ячейку приходится лишь массы этого атома, а на всю ячейку атом).

На элементарную ячейку гранецентрированной кубической решетки приходится четыре атома; из них один атом (по такому же расчету, как и для объемноцентрированной решетки) вносят атомы, находящиеся в вершинах куба (), и три атома вносят атомы, находящиеся на сере­дине грани, так как каждый из таких атомов принадлежит двум решеткам.








б) в)


Рис.3.3 - Кристаллическая решетка и схемы упаковки:

а - кубическая объемно-центрированная (о. ц. к.);

б - кубическая гранецентрированная (г.ц.к.);

в - гексагональная плотноупакованная (г. п. у.)

На элементарную ячейку гексагональной плотноупакованной решетки приходятся шесть атомов ().

Плотность кристаллической решетки, т. е. объем, занятый атомами, которые условно можно рассматривать как жесткие шары, характеризуется координационным числом, под которым понимают число атомов, находящихся на равном и наименьшем расстоянии от данного атома. Чем выше координационное число, тем больше плотность упаковки атомов.

В кубической объемноцентрированной элементарной ячейке наимень­шее расстояние между атомами соответствует . На этом расстоянии от данного атома (А) находятся 8 других (рис.3.4, б). Следовательно, координационное число для этой решетки соответствует 8 и обозначается К8. Коэффициент заполнения ячейки, определяемый как отношение объема, занятого атомами к объему ячейки, составляет 68%.





а) б) в)


Рис3.4 - Схема, показывающая число атомов, находящихся на равном и наименьшем расстоя­нии от данного атома для различных решеток:

а — кубическая гранецентрированная; б — кубическая объемноцентрированная; в — гексагональная плотноупакованная


Для гранецентрированной кристаллической решетки координационное число равно 12 (К12); каждый атом имеет 12 ближайших соседей на рас­стоянии (рис3.4, а), что соответствует наибольшей плотности упаковки или укладки атомов в виде шаров. Гексагональная плотноупакован­ная решетка с с/а = 1,633 имеет координационное число 12 (Г12), что также соответствует наибольшей плотности упаковки шаров (рис.3.4). У многих металлов, кристаллизующихся в гексагональной системе, отношение с/а находится в пределах 1,57—1,64, т. е. наблюдается отклонение от плотнейшей упаковки (с/а = 1,633). Если отношение с/а значительно отличается от 1,633 (например, для цинка и кадмия), то координационное число гексаго­нальной решетки соответствует 6 (рис.3.4, в).

Гранецентрированная кубическая и гексагональная плотноупакованная (с/а=1,633) решетки — наиболее компактные, в них коэффициент заполне­ния объема атомами равен 74%.

При уменьшении координационного числа в решетке Г12 до 6 коэффи­циент заполнения составляет около 50%, а при координационном числе 4 — всего около 25%.

Элементы, располагающиеся в периодической системе на границе ме­таллов с неметаллами (называемые иногда полуметаллами), а также неме­таллы имеют более сложные кристаллические решетки с малым координа­ционным числом.

Координационное число кристаллических структур полуметаллических и неметаллических элементов групп VII, VI, V и, частично, IV (под­группы В) может быть определено по правилу: 8 — N, где N—номер группы периодической системы, в которой находится данный элемент. Так, например, As, Sb, Bi принадлежит к группе V В и по этому правилу имеют координационное число 3.

Половину наименьшего расстояния между центрами атомов называют атомным радиусом. Атомный радиус возрастает при уменьшении коор­динационного числа, так как при этом увеличивается пространство между атомами. В связи с этим величины атомных радиусов разных металлов обычно приводятся к К12.





Рис.3.5 - Индексы кристаллографических плоскостей и направлений в куби­ческой решетке (о.ц.к.)

^ 3.3. Анизотропия в металлах

Кристалл – это тело анизотропное в отличие от аморфных тел (стекло, пластмассы и др.), свойства которых не зависят от направления.

Технические металлы являются поликристаллами, т. е. состоят из боль­шого числа анизотропных кристаллитов. В большинстве случаев, как уже указывалось выше, кристаллиты статистически неупорядоченно ориентиро­ваны один по отношению к другому, поэтому во всех направлениях свой­ства более или менее одинаковы, т.е. поликристаллическое тело является изотропным. Такая мнимая изотропность металла не будет наблюдаться, если кристаллиты имеют одинаковую преимущественную ориентировку в каких-то направлениях. Эта ориентированность, или текстура, создается в известной степени, но не полностью в результате значительной холодной деформации, в этом случае поликристаллический металл приобретает ани­зотропию свойств.

Наглядным и убедительным подтверждением наличия анизотропии является опыт с медным шаром, изготовленным из монокристалла. Если такой шар нагревать, то вследствие неодинаковости коэффициентов линейного расширения по различным расширениям, он зримо утратит геометрически правильную форму шара и превратится в эллипсоид. Не всем свойствам кристаллических тел присуще явление анизотропии. Например, такое свойство как теплоемкость, от направления не зависит.

Следует особо подчеркнуть, что анизотропия проявляется только в пределах одного кристаллического зерна или монокристалла. Реальные металлы являются телами поликристаллическими, состоящими из огромного числа зерен, произвольно ориентированных друг к другу своими кристаллографическими направлениями и плоскостями.

В связи с этим недостаток какого-либо свойства по одному из направлений приложения силы в одних зернах компенсируется избытком этого свойства по этому же направлению в других зернах. Поэтому реальные металлы являются изотропными телами, т.е. телами с примерно одинаковыми свойствами по всем направлениям. Поскольку их изотропность является не истинной, а усредненной, то их принято называть кваиизотропными или псевдоизотпропными телами.

Для определения положения атомных плоскостей, проходящих через атомы, в кристал­лических пространственных решетках пользуются индексами h, k, l, представляющими собой три целых рациональных числа, являющихся величинами, обратными осевым отрезкам, отсекаемым данной плоскостью на осях координат. Единицы длины вдоль этих осей выбирают равными длинам ребер элементарной ячейки.

Приведем примеры обозначения плоскостей. Установим первоначально индексы для плоскости куба. Каждая плоскость куба (рис.2.5, а) пересекает только одну ось, при этом отрезки будут равны.

В кубической решетке кроме плоскостей куба (рис.3.5, а), различают плоскости (111) октаэдра (рис.3.5, б) и плоскости (110) ромбического додекаэдра (рис.3.5, в).

Следует иметь в виду, что индексы характеризуют не одну какую-либо плоскость, а целую группу параллельных плоскостей и их тогда приводят в фигурных скобках.

Все физические, включая и прочностные, свойства металлов вдоль раз­личных кристаллографических направлений зависят от числа атомов, распо­ложенных на упомянутых направлениях.

В действительности в кристаллической решетке на различных направлениях находится разное число атомов. Например, в кубических решетках вдоль диагоналей куба ОЦК решетки (111) или диагоналей граней решетки ГЦК (110), (101), (011) размещается больше атомов, чем по направлениям вдоль ребер кубов (100), (010), (001).

Из сказанного следует, что в кристаллических веществах должна наблюдаться анизотропия, т.е. неодинаковость свойств вдоль различных кристаллографических направлений.

Таким образом, анизотропия является закономерным результатом упорядоченного расположения атомов в кристаллических телах. Анизотропия механических и других свойств наблюдается при испытании образцов, вырезанных вдоль различных кристаллографических направлений.

^ 3.4. Аллотропия металлов

Некоторые металлы, например, железо, титан, олово и другие, способны по достижении определенных температур изменять свое кристаллическое строение, перестраивая тип элементарной ячейки. Так, ОЦК железо, будучи нагрето до 911°С, перестраивает кристаллическую решетку при этой темпе­ратуре и становится ГЦК железом. Это строение сохраняется до 1392°С, после чего решетка снова перестраивается и приобретает ОЦК строение, сохраняя его вплоть до температуры плавления 1539°С.

Данное явление получило название аллотропии или полиморфизма, а сами переходы от одного кристаллического строения к другому называются аллотропическими или полиморфными.

Основной причиной аллотропии является стремление любого вещества обладать минимальным запасом свободной энергии ^ F, которая изменяется в зависимости от абсолютной температуры Т по формуле F=U-TS, где U — внутренняя энергия вещества, S — энтропия (термодинамическая функция). Если у металла по достижении какой-то определенной температуры измене­ние типа кристаллической решетки обеспечивает уменьшение запаса свобод­ной энергии, то такой металл претерпевает аллотропическое превращение.

Разные аллотропические формы металлов обозначают буквами грече­ского алфавита, при этом низкотемпературные модификации обозначают буквой ?, а последующие в порядке роста температуры— буквами ?, ?, ? и т.д.

Наличие у металлов аллотропических (полиморфных) превращений
имеет важное практическое значение, поскольку благодаря им у металлов
изменяются такие свойства, как плотность, способность растворять в своей решетке другие элементы и т. д.

В связи с этим, именно благодаря полиморфизму, сплавы на основе железа, титана и других металлов (обладающих данным свойством) можно подвергать термической обработке для целенаправленного изменения их свойств.

^ 3.5. Диффузия в металлах

Многие процессы, протекающие в металлах и сплавах (процесс кристаллизации, фазовые превращения, рекристаллизация, процессы насыщения поверхности другими компонентами), носят диффузионный характер (рис.3.6).





Рис.3.6 - Модель размещения атомов в области границы зерна металла





Рис.3.7 - Механизмы перемещения атомов в кристаллической решетке металла


Под диффузией понимают перемещение атомов в кристаллическом теле на расстояния, превышающие средние межатомные расстояния данного вещества. Если перемещения атомов не связаны с изменением концентра­ции в отдельных объемах, то такой процесс называется самодиффузией.

Перемещение атомов, сопровождающееся изменением концентрации, происходит в сплавах или в металлах с повышенным содержанием примесей и называется диффузией или гетеродиффузией.

В основе процесса диффузии в кристаллах лежит атомный механизм, при котором каждый атом совершает более или менее случайные блужда­ния, т.е. ряд скачков между различными равновесными положениями в ре­шетке. Любая атомная теория диффузии должна начинаться с рассмотре­ния механизма диффузии. Прежде всего, следует ответить на вопрос: каким образом данный атом перемещается из одной позиции в другую?

Для описания процесса диффузии в твердом кристаллическом теле (ме­талле) предложено несколько возможных механизмов диффузии: цикличе­ский, обменный, вакансионный и межузельный (рис.3.7).

По циклическому механизму диффузионный перескок представляет со­бой совместное перемещение (циклическое вращение) группы атомов (на­пример, четырех, pиc.3.7,а). Такое вращение не требует большой энергии, но маловероятно. Обменный механизм (рис.3.7, б) является частным слу­чаем циклического (группа из двух атомов) и заключается в обмене сосед­них атомов. При вакансионном механизме атом обменивается с вакансией (рис.3.7, в), а при межузельном он переходит в состояние равновесия в ближайшее междоузлие (рис.3.7,г). В металлах диффузия преимущественно осуществляется по вакансионному механизму. В этом случае, как видно из рис.3.7,в на место вакансии 1 может переместиться атом 2, обладающий повышенной энергией. Вакансия окажется на бывшем месте этого атома и ее может занять атом 3, и т.д.

При диффузии в металле элементов с малым атомным радиусом (С, N, Н) происходит диффузия по межузельному механизму (рис.3.7, г).

Скорость диффузии определяется количеством вещества т, диффундирующего через единицу площади поверхности раздела за единицу времени. Количество диффундирующего (в единицу времени) вещества т зависит от градиента концентрации dC/dx элемента в направлении, нормальном к по­верхности раздела и пропорционально коэффициенту диффузии D:

Размером зерна металла можно целенаправленно управлять путем изме­нения условий кристаллизации или применением термической обработки.

^ 3.6.Дислокационная структура и прочность металлов

Выявляемая в процессе эксплуатации или во время специальных испытаний прочность металлов, называемая фактической или технической, на 2—3 порядка ниже их теоретической прочности. Теоретической прочностью обладает совершенно бездефектный металл, имеющий идеально построенную, однородную вo всех ее частях кристаллическую решетку. При его нагружении силой Р (рис.3.8, а, б) возникающие касательные напряжения ? задействуют, т.е. стремятся разорвать все совершенно одинаковые межатомные связи, пересекающие плоскость сдвига S— S.

Из физики твердого тела известна следующая формула для вычисления теоретической прочности: ?= KG/(2?), где К —постоянный для данного металла коэффициент, G — модуль сдвига этого металла. Однако техническая прочность в сотни раз меньше вычисляе­мой по этой формуле величи­ны. Это объясняется наличием в реальном металле концентра­торов напряжений, металлурги­ческих дефектов и дефектов кристаллической решетки, важ­нейшими из которых являются дислокации. Наличие в металле и его кристаллической решетке




а)

б)

Рис. 3.8 - Схема нагружения силой ^ Р идеальной кристаллической решетки:

а — начало; б — конец (сдвиг на один параметр в результате одновременного разрыва всех межатомных сил, пересекающих плоскость сдвига S—S)

перечисленных дефектов при его нагружении силой Р способствует тому, что все межатомные силы задействуются только на очень малом отрезке упругой дефор­мации, в течение которой сила увеличивается пропорционально деформации. При деформировании бездефектного металла эта сила продолжала бы возрас­тать вплоть до разрушения, достигнув при этом теоретического предела.

Однако при наличии дефектов кристаллической решетки после неболь­шой упругой деформации происходит пластическая, или, точнее, упруго-пластическая деформация, в течение которой из-за наличия в решетке дефек­тов под действием приложенной силы разрушается значительно меньшее количество межатомных сил сцепления. При этом начинает действовать принципиально иной, так называемый дислокационный механизм упруго-пластической деформации, развитие которой может завершиться разрушени­ем металла. При наличии в металле металлургических дефектов или концен­траторов напряжений разрушение наступает раньше и продолжается в тече­ние значительно более короткого времени.

Изложенное выше показывает, что техническая прочность металла ока­зывается в сотни и даже тысячи раз меньше теоретической.

^ 3.7. Дислокация и другие дефекты кристаллической решетки

Кристаллическая решетка реального металла не является геометрически идеальной. В ее узлах нередко отсутствуют атомы, а в зернах очень часто между полными кристаллографическими плоскостями, идущими от границы до границы зерна, находятся так называемые экстраплоскости, протяжен­ность которых ограничивается только частью размера зерна. Существуют и другие дефекты, как правило, снижающие прочность металла. В реальном кристалле всегда имеются дефекты строения. Дефекты кристаллического строения подразделяют по геометрическим признакам на точечные (нуль-мерные), линейные (одномерные) и поверхностные (двухмерные).

Точечные дефекты. Эти дефекты (рис.3.9) малы во всех трех изменениях и размеры их не превышают нескольких атомных диаметров. К точечным дефектам относятся вакансии, или «дырки» (дефекты Шотки), т.е. узлы ре­шетки, в которых атомы отсутствуют (pиc.3.9, а-в). Вакансии чаще образуются в результате перехода атомов из узлов решетки на поверхность (гра­ницу зерна, пустоты, трещины и т.д.) или их полного испарения с поверхности кристалла и реже в результате перехода в междоузлие. В кристалле всегда имеются атомы, кинетическая энергия которых значительно выше средней, свойственной данной температуре нагрева. Такие атомы, особенно расположенные вблизи поверхности, могут выйти на по­верхность кристалла, а их место займут атомы, находящиеся дальше от поверхности и принадлежавшие им узлы окажутся свободными, т.е. воз­никнут тепловые вакансии.





Рис.3.9 - Точечные дефекты в кристаллической решетке


С повышением температуры концентрация вакансий возрастает. Коли­чество вакансий при температуре, близкой к плавлению, может достигать 1% по отношению к числу атомов в кристалле. Быстрым охлаждением от данной температуры можно зафиксировать эти вакансии при нормальной температуре (закалка вакансий).

При данной температуре в кристалле создаются не только одиночные вакансии (рис.3.9, б), но и двойные, тройные и более крупные.

Вакансии образуются и в процессе пластической деформации, а также при бомбардировке металла атомами или частицами высоких энергий (облучение в циклотроне или нейтронное облучение в ядерном реакторе).

Межузельные атомы (дефекты Френкеля). Эти дефекты образуются в результате перехода атома из узла решетки в междоузлие (рис.3.9, а). На месте атома, вышедшего из узла решетки в междоузлие, образуется вакансия.

В плотноупакованных решетках, характерных для большинства метал­лов, энергия образования межузельных атомов в несколько раз больше энергии образования тепловых вакансий. Вследствие этого в металлах очень трудно возникают межузельные атомы и тепловые вакансии в таких кристаллах являются основными точечными дефектами. Например, в меди при 1000°С концентрация межузельных атомов на 35 порядков меньше концентрации вакансий.

Точечные несовершенства кристаллической решетки появляются и в ре­зультате действия атомов примесей, которые, как правило, присутствуют даже в самом чистом металле.

Точечные дефекты вызывают местное искажение кристаллической ре­шетки (рис.3.9, в,г). Смещения (релаксация) вокруг вакансий возникают только в первых двух слоях соседних атомов и составляют доли межатом­ного расстояния. Вокруг межузельного атома в плотноупакованных решет­ках смещение соседей значительно больше, чем вокруг вакансий.

Точечные дефекты Шотки и Френкеля оказывают влияние на неко­торые физические свойства металла (электропроводность, магнитные свой­ства и др.) и предопределяют процессы диффузии в металлах и сплавах.

^ Линейные дефекты. Линейные несовершенства имеют малые размеры в двух измерениях и большую протяженность в третьем измерении. Эти несовершенства называются дислокациями. Кристаллическая решетка с краевыми дислокациями показана на рис.3.10.

Краевая дислокация (рис.3.10, б и в) представляет собой локализованное искажение кристаллической решетки, вызванное наличием в ней «лишней» атомной полуплоскости или экстраплоскости, перпендикулярной к плоско­сти чертежа.

Наиболее простой и наглядный способ образования дислокаций в кри­сталле - сдвиг (рис.3.10, а). Если верхнюю часть кристалла сдвинуть относи­тельно нижней на одно межатомное расстояние, причем зафиксировать по­ложение, при котором сдвиг охватывает не всю плоскость скольжения, а только часть ее ABCD, то граница АВ между участком, где скольжение уже произошло, и не нарушенным участком в плоскости скольжения и бу­дет дислокацией (рис.3.10, а). Как видно, линия краевой дислокации перпендикулярна вектору сдвига.

Если экстраплоскость находится в верхней части кристалла, то дислока­цию называют положительной и обозначают ┴ (рис.3.10, в), а если в ниж­ней — то отрицательной и обозначают ┬ (рис.3.10, г). Различие между поло­жительной и отрицательной дислокацией чисто условное. Переворачивая кристалл, мы превращаем отрицательную дислокацию в положительную. Знак дислокации важен при анализе их взаимодействия.

Кроме краевых, различают еще винтовые дислокации. Винтовые дисло­кации в отличие от краевых располагаются параллельно направлению сдвига (линия AD на рис.3.11). При наличии винтовой дислокации кристалл можно рассматривать как состоящий из одной атомной плоскости, закру­ченной в виде винтовой поверхности. На pис.3.11,б показано расположе­ние атомов на винтовой поверхности вдоль винтовой дислокации.





Рис.3.10 - Краевые дислокации:

а – сдвиг, создавший краевую дислокацию; б -пространственная схема краевой дислокации;

в, г - схемы расположения атомов у дислокации


Дислокации окружены полями упругих напряжений, вызывающих иска­жение кристаллической решетки. В краевой дислокации выше края экстра­плоскости межатомные расстояния меньше нормальных, а ниже края— больше.

Энергия искажения кристаллической решетки является одной из важ­нейших характеристик дислокации любого типа. Чтобы оценить степень искажения решетки, вызванной линейной дислокацией, следует сравнить совершенный кристалл с кристаллом, содержащим дислокацию. Критерием этого искажения служит вектор Бюргерса.




Для определения вектора Бюргерса краевой дислокации (рис.3.12) прове­дем вокруг дислокации контур ABCDE. Контур проводят так, чтобы от точки А против часовой стрелки

Рис.3.11 - Винтовая дислокация:

а - сдвиг, создавший винтовую дислокацию; б — расположение атомов


равномерно отложить, например, по шесть межатомных расстояний снизу вверх: АВ, ВС, CD и DE. Контур замкнется на участке DA, который будет состоять только из пяти отрез­ков. В кристалле, в котором отсутствовали дислокации, этот участок так же, как и предыдущие, состоял из шести отрезков. Разность протяженноcти контуров АЕ называют вектором Бюргерса и обозначают b. Разность контуров имеет величину порядка межатомных расстояний (10-8 см).





Рис.3.12 - Схема определения вектора Бюргерса для линейной дислокации:

а - схема плоскости реального кристалла; б - решетка совершенного кристалла


Определение вектора Бюргерса для кристалла, содержащего винтовую дислокацию, производят аналогично. В краевой дислокации вектор Бюргерса перпендикулярен к ее линии, а у винтовой - параллелен ей. Если век­тор Бюргерса охватывает несколько дислокаций, то величина его соответствует геометрической сумме векторов отдельных дислокаций. Вектор Бюргерса позволяет найти силы, требуемые для продвижения дислокаций, силы взаимодействия и энергию дислокаций и т.д.

Дислокации образуются в процессе кристаллизации металлов (при срастании зерен и блоков) из группы вакансий, а также в процессе пластиче­ской деформации и фазовых превращений.

Силовые (упругие) поля дислокаций взаимодействуют между собой. Если дислокации, расположенные в одной плоскости скольжения, обладают одинаковым знаком, то они отталкиваются одна от другой (рис.3.13, а); ес­ли дислокации разного знака, то они взаимно притягиваются (рис.3.13, б).





Рис.3.13 - Схема взаимодействия дислокаций, лежащих в одной плоскости скольжения


Сближение дислокаций разного знака приводят к их взаимному уничтожению (аннигиляции).

Дислокации не могут обры­ваться внутри кристаллита. Они могут прерываться на других дислокациях или на границах раздела (границы зерен, поверхность кристалла и т.д.). В связи с этим внутри кристалла дислокации образуются замкнутые петли или взаимосвязанные сетки.

Важной характеристикой дисло­каций является плотность. Под плотностью дислокаций понимают суммарную длину дислокации l (см), приходящуюся на единицу объема V кристалла (см3). Таким образом, размерность плотности дислокаций (см-2)


.


Плотность дислокации экспериментально определяют путем подсчета числа выходов дислокаций, пересекающих единицу площади металлогра­фического шлифа. При травлении металлографического шлифа на его по­верхности можно выявить ямки или точки, соответствующие выходу дислокаций.

Плотность дислокаций определяют также, непосредственно изучая структуру тонких пленок металла «на просвет» в электронном микроскопе. На рис.3.14 показаны следы травления дислокаций, расположенных по границам блоков железа. Подсчитывая число таких точек, определяют плотность дислокаций.

^ Поверхностные дефекты. Эти дефекты малы только в одном измерении. Они представляют собой поверхности раздела между отдельными зёрнами или их блоками (субзернами) поликристаллического металла.

Каждое зерно металла состоит из отдельных блоков, или субзерен, образующих так называемую мозаичную структуру, или субструктуру (рис.3.15, а). Зерна металла обычно разориентированы относительно друг друга на величину, достигающую от нескольких долей градуса (малоугловые гра­ницы) до нескольких градусов или нескольких их десятков (высокоугловые границы).

Блоки, или субзерна, повернуты по отношению друг к другу на угол от нескольких секунд до нескольких минут (малоугловые границы), имеют размеры на три-четыре порядка величины меньше размеров кристаллитов (10-6 - 10-4 см). В пределах каждого блока, или субзерна, решетка почти идеальная, если не учитывать точечных несовершенств. Размеры блоков, или субзерен, оказывают большое влияние на свойства металла.

Границы между отдельными кристаллитами (зернами) представляют собой переходную область шириной в 5—10 межатомных расстояний,


Рис.3.14 - Дислокационная структура коррозионно-стойкой стали (х 33000)





Рис.3.15 - Блочная (мозаичная) структура металла:

а - зерна блочной структуры; б — реальная блочная структура металла (х 20000); в — дислокационная структура границ блоков ниобия (х 44000)


в которой решетка одного кристалла, имеющего определенную кристалло­графическую ориентацию, переходит в решетку другого кристалла, имеющего иную кристаллографическую ориентацию. В связи с этим на границе зерна атомы расположены менее правильно, чем в объеме зерна (рис.3.15). Кроме того, по границам зерен в технических металлах концентрируются примеси, что еще больше нарушает правильный порядок расположения атомов. Несколько меньшие нарушения наблюдаются на границах блоков или субзерен.

Границы блоков, а также малоугловые границы зерен образованы дис­локациями. С увеличением угла разориентировки блоков или субзерен и уменьшения их величины плотность дислокаций в металле уве­личивается. Вследствие того, что в реальном поликристаллическом метал­ле протяженность границ блоков и зерен очень велика, количество дисло­каций в таком металле огромно (104 — 1012 см-2). Атомы на. границах зерен (или субзерен) имеют повышенную потенциальную энергию. Такую повышенную энергию имеют и атомы, расположенные на по­верхности кристалла, вследствие нескомпенсированности сил межатомного взаимодействия.

Из изложенного выше следует, что от дислокационной структуры существенно зависят прочностные свойства металла и что этими свойствами можно управлять, целенаправленно изменяя дислокационную структу­ру за счет выбора химического состава сплава, режимов его термической обработки или обработки какими-либо другими специальными методами.

Характер изменения прочности в зави­симости от плотности дислокаций и особен­ностей дислокационной структуры.

В заключение рассмотрим сводный график, на котором изобразим зависимость прочности сплава от деформации и влияние на прочность таких факторов, как кон­центраторы напряжений, металлургическое качество сплава и особенности дислокаци­онной структуры (рис.3.16).

Наиболее интенсивно стекается прочность при наличии в металле концентраторов напряжений (рис.3.16, точка кн). В этом случае металл разрушается во время упругой деформации задолго до начала пластической деформации.

Концентраторами напряжений являются имеющиеся в металле трещи­ны, несплошности и всевозможные включения с острыми краями, а также резкие переходы в детали от одного сечения к другому. Концентраторы на­пряжений в местах их расположения увеличивают расчетные напряжения в десятки и даже сотни раз.



Рис.3.16 - Влияние на прочность металла при растяжении:

кн — концентраторов напряжений;

мк — плохого металлургического качества;

плотности дислокаций — p2 > p1 при:

лд — лесе дислокаций;

сдс- сложной дислокационной структуре;

бдм — бездефектный металл



.

При плохом металлургическом качестве, что равноценно уменьшению фактического рабочего сечения детали, действительное напряжение в ее се­чении также оказывается выше расчетного. Вследствие этого металл разру­шается при более низком уровне прочности.

Металлургическими дефектами являются различные рассе­янные в металле неметаллические включения, например FeS, SiO2, A12O3 и т. д., а также раковины, поры и другие нарушения сплошности. Крупнозернистость и различные виды ликвации также являются металлургическими дефектами.

При отсутствии концентраторов напряжений и удовлетворительном металлургическом качестве сплава его прочность должна определяться напряжением, по достижении которого заканчивается чисто упругая деформация и начинается упругопластическая. Но в основе пластической деформации лежит работа дислокационного механизма. При этом прочность окажется тем выше, чем больше плотность дислокаций (на рис. 3.17 ?2> ?1).

Рис.3.17 - Схема образования двойника



На рис.3.16 показано, что при одной и той же плотности дислокаций (?2 или ?1) прочность металла при лесе дислокаций ниже, чем при более слож­ной дислокационной структуре (линии лд и сдс).

В заключение отметим существенную специфику другого вида пла­стической деформации - двойникования. В отличие от сдвиговой пла­стической деформации, основу протекания которой составляет работа дислокационного механизма, при двойниковании происходит образова­ние так называемых двойников, т.е. таких незначительных прослоек в кристаллической решетке зерна, в которых кристаллографические на­правления и плоскости переориентированы в зеркально-симметричное положение относительно некоторой плоскости, называемой плоскостью двойникования (рис.3.17, плоскость I—I). Деформация двойникования происходит в тех случаях, когда она менее энергоемка, чем деформация скольжения. Двойники наблюдаются, например, в зернах отожженной меди.

^ 3.8. Наклеп металла

Из опыта известно, что после ковки холодного металла замет­но возрастают его прочность и твердость. В то же время он становится хрупким. Это явление получило название «наклеп». Наклепом называют как сам процесс изменения внутреннего строения металла при холодной пластической деформа­ции, так и получающийся при этом результат, т. е. повышение прочности и твер­дости, сопровождающееся уменьшением пластичности. Анализ сущности пла­стической деформации с позиций дислокационной концепции позволяет устано­вить, что изменение внутреннего строения металла при пластической деформа­ции связано главным образом с ростом плотности дислокаций, происходящим вследствие их непрерывного генерирования источниками Франка— Рида под действием напряжений, создаваемых прикладываемой силой.

Таким образом, по мере пластической деформации и приближения ее величины и плотности дислокаций к критическим значени­ям вместе с ростом прочности уменьшается запас пластичности. (Напомним, что по достижении упомянутыми характеристиками критических величин в металле возникают зародыши трещин, т.е, наступает начальная стадия соб­ственного процесса разрушения.

Таким образом, наклепанный металл должен быть прочнее и хрупче ненаклепанного. Установлено, что при наклепе изменяются и другие свойства металла. В частности, уменьшаются плотность, теплопроводность и электри­ческая проводимость.

В металлообработке наклеп используется для поверхностного упрочне­ния деталей. Так, поверхности некоторых видов валов, в особенности их опорные шейки, подвергаются интенсивной холодной обработке давлением твердыми роликами с целью наклепа для уменьшения износа и предотвра­щения усталостного разрушения.


Контрольные вопросы



  1. В чем сущность строения металлических материалов? Охарактеризуйте.

  2. Какие типы кристаллических решеток вам известны?

  3. Как обозначаются кристаллографические направления и плоскости?

  4. Что такое анизотропия в кристаллах?

  5. Что такое аллотропия металлов?

  6. Какие существуют дефекты кристаллического строения?

  7. Изложите дислокационный механизм упругопластической деформации.

  8. Перечислите основные элементы дислокационной структуры.

  9. Как зависит прочность от плотности дислокации?

10. Что такое наклеп и как он влияет на свойства металлических материалов?

  1   2   3

Схожі:

Металловедение основы строения металлических материалов iconМонографии
А. А. Металлургия: учебное пособие в 3-х кн. Книга Металловедение и основы термической обработки металлов. Теоретические основы обработки...
Металловедение основы строения металлических материалов iconМеталловедение и физические основы сварки относятся к числу, основополагающих учебных дисциплин для специальностей газотеплоснабжения и энергетики высших учебных заведений страны
Изложенный материал может быть использован не только студентами и преподавателями втузов, но и широкими кругами инженерно-технических...
Металловедение основы строения металлических материалов iconУтверждаю: Заместитель директора по нпр проф. Гаркуша Г. Г. 07. 11. 2011 р. Вопросы к контрольной работе по дисциплине «Сопротивление материалов»
Основные понятия и определения сопротивления материалов. Допущения, предпосылки и гипотезы, принятые в сопротивлении материалов....
Металловедение основы строения металлических материалов icon? Введение. Основные понятия, методы и гипотезы сопротивления материалов
Сопротивление материалов – наука о прочности, жесткости и устойчивости элементов сооружений и машин
Металловедение основы строения металлических материалов iconОрганизационный взнос
Очное участие (организация и издание материалов конференции, публикация тезисов, фуршет, дружеский ужин, экскурсии и т д.) вручение...
Металловедение основы строения металлических материалов iconОрганизационный взнос
Очное участие (организационные мероприятия, издание материалов конференции, публикация тезисов, дружеский вечер, экскурсии и т д.)...
Металловедение основы строения металлических материалов iconВысшее государственное учебное заведение украины «украинская медицинская стоматологическая академия» кафедра детской терапевтической стоматологии с профилактикой стоматологических заболеваний «особенности строения слизистой оболочки полости рта у детей.
Огическая академия» кафедра детской терапевтической стоматологии с профилактикой стоматологических заболеваний «особенности строения...
Металловедение основы строения металлических материалов iconКурсы повышения квалификации по направлению транспортные технологии и логистика с выдачей сертификатов
Очное участие (организация и издание материалов конференции, публикация тезисов, фуршет, дружеский ужин, экскурсии и т д.) вручение...
Металловедение основы строения металлических материалов iconГосударственный стандарт союза сср трубы керамические дренажные гост 8411-74
Разработан государственным всесоюзным научно-исследовательским институтом строительных материалов и конструкций (вниистром) Министерства...
Металловедение основы строения металлических материалов iconШеремет А. И. Донбасская государственная машиностроительная академия
Усовершенствование автоматизированной электромеханической системы для виброобработки металлических деталей
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