На головну

Точкові, лінійні і поверхневі дефекти в кристалах, вплив на міцність

  1.  A) Вплив сили кислоти і підстави, що утворюють сіль, на ступінь її гідролізу
  2.  Антропогенний вплив на навколишнє середовище
  3.  Б) основні явища і процеси. Їх вплив на якісні показники виробництва; собівартість, ціна і його конкурентоспроможність
  4.  Біологічні ритми та їх вплив на працездатність людини
  5.  Бюджет і його вплив на соціально-економічні процеси
  6.  У поверхневі водні об'єкти м.Києва в 1999 р
  7.  У цій зоні на людину чинять постійний вплив егрегори. Людина неусвідомлено мислить і виражається певними низинними шаблонами. Так званий-темний егрегор.

Ідеального кристалічної будови в природі не буває. Експериментально встановлено наявність трьох типів дефектів мікроструктури на атомному рівні в металах і сплавах: точкових, лінійних і поверхневих.

Мал. 18.1. Точкові дефекти: а) вакансія,

б) межузельний (дислокований) атом

1. Точкові дефекти - вакансії[23] і межузельние атоми (Рис. 18.1) малі у всіх трьох вимірах і спотворюють кристалічну решітку тільки на відстанях порядку 10-10 м. Концентрація точкових дефектів в металах при кімнатній температурі становить порядку 10-13 ат. %; при нагріванні до температур близьких до плавлення і особливо при опроміненні нейтронами в ядерному реакторі вона може досягати 1 ... 3 ат. %, Що призводить до розбухання і втрати міцності металоконструкцій.

2. Лінійні дефектикрайові і гвинтові дислокації[24] мають велику протяжність в одному вимірі і проявляються в порушенні правильного розташування атомних площин - рис. 18.2.

Мал. 18.2. Лінійні дефекти: а) крайова, б) гвинтова дислокація

Від числа, характеру розташування і рухливості дислокацій в кристалах сильно залежать механічні і багато фізичні властивості монокристалічних і полікристалічних матеріалів.

щільність дислокацій - Сумарна довжина всіх ліній дислокацій в одиниці об'єму становить у чистих незміцнене металів 106... 108 см-2, А у деформованих - досягає 1012... 1013 см-2, Далі з'являються тріщини і метал руйнується. Наявність достатньої кількості дислокацій полегшує рух атомів, а, отже, і деформацію незміцнене металів - рис. 18.3. Через великої кількості дислокацій міцність реальних (дефектних) кристалічних матеріалів у багато разів менше теоретичної міцності, розрахованої на підставі сил взаємодії між атомами для ідеальних (бездефектних) структур.

 Мал. 18.3. Залежність опору деформації від щільності дислокацій: 1 - Теоретична міцність; 2-4 - Технічна міцність (2 - «Вуса»; 3 - Чисті незміцнене метали; 4 - Сплави, зміцнені легированием, наклепом, термічної або термомеханічної обробкою)

Щільністю дислокацій, а, отже, і властивостями матеріалу можна управляти в дуже широкому діапазоні (рис. 18.3). Виходячи з виду кривої на рис. 18.3, можливі два принципово різних способу підвищення міцності матеріалів:

· Традиційними методами підвищення міцності матеріалів за рахунок підвищення числа дислокацій є: легування, холодна деформація, термічна або термомеханічна обробка. Найефективніша з них - термомеханічна обробка дозволяє підвищити міцність до 1/3 від теоретичної.

· У другій половині ХХ ст. нанотехнологи навчилися вирощувати ниткоподібні монокристали вуса[25] (довжиною до 2 ... 10 мм і діаметром 0,5 ... 2 мкм) з одного гвинтовий дислокацією, міцність яких наближається до теоретичної [26]. Такі «вуса» використовуються для армування високоміцних волокнистих композиційних матеріалів, в приладобудуванні (для мікроподвесок), в мікроелектроніці і т. П.

3. Поверхневі дефекти мають велику протяжність в двох вимірах; найважливішими з них є большеугловие і малокутових кордону, дефекти упаковки і кордони двійників.

Межі між зернами обумовлені полікристалічним будовою металів (див. Рис. 16), вони представляють собою вузьку перехідну область шириною до 5 ... 10 міжатомних відстаней, в якій атоми розташовані менш правильно, ніж в обсязі зерна. По межах зерен в технічних металах концентруються домішки, що ще більше порушує правильний порядок розташування атомів. Атомні решітки (площині) дотичних зерен металу разоріентіровать на величину до декількох десятків градусів, що приводить до утворення, так званих, большеуглових кордонів.

Кожне зерно металу, як правило, складається з окремих субзерен - блоків, що утворюють субструктуру - Мал. 18.4. Поперечні розміри субзерен (блоків) складають 0,1 ... 1 мкм, т. Е. Блоки на один - три порядки менше розмірів кристалітів. Якщо не враховувати точкові дефекти, то в межах кожного блоку кристалічна решітка майже ідеальна. Субзерна повернені один по відношенню до іншого на кут від малих часток до одиниць градусів, утворюючи субграніци (малокутових кордону). Встановлено, що малокутових кордону утворені впорядкованими скупченнями (так званими, стінками) великої кількості крайових дислокацій (+) - Див. Рис. 18.4.

Мал. 18.4. Субструктура зерна: 1 - Межі між зернами (большеугловие кордону), 2 - Межі між субзернамі (малокутових кордону), 3 - субзерна (блоки)

дефект упаковки являє собою частину атомної площини, обмежену дислокациями, в межах якої порушений нормальний порядок чергування атомних шарів.

Всі поверхневі дефекти, включаючи дефекти упаковки і кордони двійників *, є неузгодженості в розташуванні пакетів атомних площин.

Поверхневі дефекти також впливають на механічні і фізичні властивості матеріалів. Особливо велике значення мають кордони зерен. Межа плинності ?т пов'язаний з розміром зерен d рівнянням Холла-Петч: ?т = ?о + kd-1/2, Де ?о и k - Постійні для даного матеріалу. Чим дрібніше зерно, тим вище межа плинності, в'язкість і менше небезпека крихкого руйнування. Аналогічно, але слабше впливає на механічні властивості розмір субзерен.

Крім перерахованих микродефектов в технічних металах і сплавах можуть бути макродефектів об'ємного характеру: газові бульбашки, мікротріщини, пори, неметалеві включення і т. п., які також знижують міцність, будучи концентраторами напружень.

19. Деформація і руйнування металу. Пружна і пластична деформація. Механізм пластичної деформації. наклеп

При додатку до твердого тіла зусиль відбувається його деформація - зміна форми, обумовлене відхиленням атомів від рівноважного положення.

Якщо напруги невеликі, то деформація носить пружний характер. У цій області виконується закон Гука - Абсолютна деформація ?l прямо пропорційна додається зусиллю Р - Мал. 19.1. Опірність пружною деформації, т. Е. Жорсткість матеріалу при розтягуванні характеризує модуль нормальної пружності (модуль Юнга) Е, Прямо пропорційний tga (Е = (l0/F0) Tga - див. П. 8). Модуль пружності практично не залежить від структури металу і визначається силами міжатомних зв'язків в кристалічній решітці, наприклад, для сталей він становить 170 ... 206 ГПа, для чавунів - 113 ... 150 ГПа, титану - 116 ГПа, алюмінію - 63 ... 70 ГПа.

Мал. 19.1. Схема деформування металу при розтягуванні: ділянки пружною (а) І пластичної (б) Деформації, ? - руйнування

При пружною деформації після зняття навантаження атоми повертаються в початкове положення і тіло відновлює вихідну форму і розміри.

Якщо при зовнішньому навантаженні напруги досягають критичної величини, то деформація стає пластичної внаслідок інтенсивного розмноження і руху дислокацій. Після зняття навантаження тіло не відновлює свою форму і розміри.

Механізм пластичної деформаціїпростіше всегорассмотреть на прикладі деформації монокристала. Пластична деформація здійснюється шляхом зсуву однієї частини монокристала щодо іншої. Зрушення атомних площин викликають зовнішні дотичні напруження ?, коли їх значення перевищує критичне ?к. Розрізняють два різновиди зсуву - ковзання і двійникування. При ковзанні одна частина кристала зміщується паралельно іншій частині уздовж площини, яку називають площиною ковзання або зсуву (рис. 19.2). Ковзання істотно полегшується за рахунок присутності дислокацій, які у великій кількості є в реальних металах.

Мал. 19.2. Схема ковзання за рахунок руху крайової дислокації

Ковзання - основний вид зсуву в металах і сплавах. Деформація Двійникування є перебудову частини кристала в нове положення, дзеркально симетричне до його недеформованою частини - рис. 19.3. Площина дзеркальної симетрії називають площиною двійникування.

Мал. 19.3. Схема освіти двійника (I-I - Площину двойникования)

У порівнянні з ковзанням, двойникование в металах з ОЦК і ГЦК гратами має другорядне значення. Роль двойникования зростає, коли ковзання утруднене. У менш пластичних металів з ГПУ гратами деформація зазвичай розвивається як ковзанням, так і Двійникування.

У міру розвитку пластичної деформації метал наклепує. під наклеп розуміють сукупність змін структури і пов'язаних з ними змін властивостей, викликаних пластичною деформацією металу [27].

При досить великій мірі деформації все зерна стають напруженими; рівноосні до деформації зерна полікристалічних металів витягуються, утворюючи волокнисту структуру - рис. 19.4. Кількість дефектів крісталлліческой решітки і, перш за все, дислокацій зростає на кілька порядків (див. Рис. 18.3). Усередині зерен за рахунок зростання числа дислокацій відбувається інтенсивне утворення малокутових кордонів і збільшення кутів разоріентіровкі субзерен, що призводить до розвитку блокової структури.

Мал. 19.4. Зміна форми зерен в результаті деформації: а - До деформації; б - Після деформації

При великій мірі деформації виникає переважна орієнтація решіток зерен - текстура деформації, Що виявляється в анізотропії властивостей деформованих полікристалічних металів і сплавів.

Зі збільшенням ступеня деформації збільшуються твердість, межа плинності, електроопір, коерцитивної сила і ін .; зменшуються пластичність, в'язкість, корозійна стійкість, магнітна проникність і ін.

При подальшому збільшенні прикладених напружень процес деформації закінчується руйнуванням, Яке може бути в'язким або крихким. в'язке руйнування відбувається після значної пластичної деформації; супроводжується поглинанням великої кількості енергії; проходить по тілу зерен; має волокнистий, матовий злам. крихке руйнування має малу енергоємність; деформація мала і носить в основному пружний характер; злам світлий, грубокристаллическая.

 




 Випробування на вигин і стиск |  Визначення твердості по Брінеллю |  Визначення твердості по Роквеллу |  Визначення твердості за Віккерсом |  Визначення ударної в'язкості при вигині |  Випробування на в'язкість руйнування |  Випробування на втому. живучість |  Стандарти на матеріали. Принципи маркування і сортамент металевих матеріалів |  Будова металевого злитка. Вплив на механічні властивості величини зерна, способи регулювання |  Будова металів. Застосування полікристалічних, монокристалічних та аморфних матеріалів в промисловості |

© um.co.ua - учбові матеріали та реферати