Навігація
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Головна arrow Техніка arrow Матеріалознавство в машинобудуванні

Ідеальне і реальне будова матеріалів. Дефекти кристалічної будови

Ідеальним є така будова кристалів, при якому всі атоми перебувають строго в вузлах кристалічної решітки. Розрахунок теоретичної міцності, виконаний російським академіком Я. І. Френкелем в 20-х рр. XX ст., Показав, що міцність такого ідеального кристала надзвичайно висока. Межа міцності при зсуві становить: , де G - модуль зсуву.

В основу розрахунку покладено, що для зсуву однієї частини кристала щодо іншої на величину, рівну періоду решітки, необхідно одночасно розірвати всі зв'язки (рис. 1.11).

Пластичний зрушення в кристалі ідеального будови (схема)

Мал. 1.11. Пластичний зрушення в кристалі ідеального будови (схема)

Розрахований теоретичну межу міцності заліза становить приблизно 13 000 МПа (для заліза G = 80 000 МПа). Насправді ж для реального металу ця величина приблизно в 100 разів менше. Невідповідність теоретично розрахованого і реального межі міцності стало спонукальним мотивом розвитку теорії руйнування. Дж. Тейлором, Е. Орованом і М. Полані була розроблена теорія дислокацій, яка пізніше, з розвитком методів електронографії, знайшла практичне підтвердження.

Така невідповідність пояснюється наявністю дефектів кристалічної будови реальних матеріалів. Ці дефекти підрозділяються по геометричними ознаками: точкові, лінійні і поверхневі.

Точкові дефекти

Малі в трьох вимірах. До них відносяться:

- Межузельние атоми (атоми, що знаходяться поза вузлів кристалічної решітки, - рис. 1.12 , а). У металах межузельние можуть бути атоми домішок, завжди присутні в реальних металах;

Схема точкових дефектів

Мал. 1.12. Схема точкових дефектів:

а - дислокований атом; б - вакансія

- Вакансії (вузли кристалічної решітки, в яких атоми відсутні, - рис. 1.12, б).

Вакансії утворюються в результаті того, що в кристалі завжди є атоми, кінетична енергія яких більша за середню, відповідної даної температурі. Якщо такі атоми розташовані поблизу поверхні, то вони можуть переміститися на поверхню кристала, а їх місця в вузлах кристалічної решітки займають атоми, розташовані далі від поверхні. В результаті деякі вузли кристалічної решітки виявляються вільними, тобто утворюються вакансії. Число вакансій при кімнатній температурі невелика, але воно значно зростає при підвищенні температури. Кількість вакансій поблизу температури плавлення може досягати 1% кількості атомів в кристалі. Вакансії уможливлюють переміщення атомів, визначають процеси дифузії в металах і сплавах, впливають на деякі фізичні властивості (електропровідність, магнітні властивості).

Лінійні дефекти

Ці дефекти мають малі розміри в двох вимірах і велику протяжність в третьому і називаються дислокаціями. Розрізняють крайові і гвинтові дислокації. Крайова дислокація являє собою край АВ виникла з яких-небудь причин зайвої напівплощини атомів, званої ектраплоскостью (рис. 1.13). Ця дислокація може бути прямою, вигинатися в різні боки, утворюючи гвинтову дислокацію (рис. 1.14).

Навколо дислокації решітка пружно спотворена і має підвищену енергію. Дислокації називають позитивними або негативними залежно від їх расположе

крайова дислокація

Мал. 1.13. крайова дислокація

ня щодо площини ковзання: позитивні, якщо екстраплоскості знаходиться вище, і негативні, якщо нижче (рис. 1.14). Такий поділ умовно. Знак дислокації важливий лише при аналізі їх взаємодії. Зближення дислокацій різного знака призводить до їх анігіляції.

Дислокації можуть утворюватися в процесі кристалізації металів шляхом злиття вакансій, а також в процесі пластичної деформації і фазових перетворень. Щільність дислокацій вимірюють числом дислокаційних ліній, які перетинають одиницю площі (1 см2).

гвинтові дислокація

Мал. 1.14. гвинтові дислокація

Дислокації дуже впливають на механізм пластичної деформації. Це особливо важливо для металів і сплавів на їх основі при виробництві заготовок методами пластичної деформації. Нагадаємо, що в ідеальному кристалі для зсуву однієї його частини щодо іншої необхідно одночасно зруйнувати (розірвати) все міжатомні зв'язку. При наявності дислокацій це досягається не одночасно руйнуванням всіх міжатомних зв'язків, а послідовним - одна за одною, при цьому відбувається переміщення дислокації (рис. 1.15). Природно, це вимагає значно менших витрат енергії. Дислокації можуть переміщатися при дуже малих напругах (менших 104 Па).

Схема переміщення (ковзання) крайової дислокації

Мал. 1.15. Схема переміщення (ковзання) крайової дислокації:

а - г - етапи переміщення дислокації

Оскільки пластична деформація реалізується за рахунок ковзання дислокацій, то підвищення міцності може бути досягнуто або шляхом отримання кристалів ідеального будови (без дислокацій), або за рахунок створення перешкод на шляху руху дислокацій. Перешкодами можуть служити інші дислокації, атоми домішок, межі зерен, тобто дефекти будови решітки. Збільшення щільності дефектів дозволяє збільшити міцність (рис. 1.16 - права висхідна гілка на кривій). Міцність, близьку теоретичної, отримують на дуже тонких бездислокаційних кристалах, званих " вусами "; в обсязі реальних деталей її отримати поки неможливо. Тому на практиці міцність підвищують збільшенням щільності дефектів за рахунок різних механізмів зміцнення, розглянутих нижче (наклеп, дисперсійне твердіння, перекристалізація).

Поверхневі дефекти

Такі дефекти малі тільки в одному вимірі - це поверхні розділу між окремими зернами.

Межі зерна є перехідну область шириною до 10 міжатомних відстаней, де решітка одного зерна, що має ви-

Залежність міцності металу від спотворень (дефектів) кристалічної решітки

Мал. 1.16. Залежність міцності металу від спотворень (дефектів) кристалічної решітки

поділену кристалографічну орієнтацію, переходить в решітку іншого зерна з відмінною кристаллографической орієнтацією. Перехідний шар має складну будову, в ньому порушено правильне розташування атомів (рис. 1.17), підвищена концентрація домішок і щільність дислокацій.

Розташування атомів всередині і за межі зерен

Мал. 1.17. Розташування атомів всередині і за межі зерен

Межі зерен перешкоджають переміщенню дислокацій. Дислокація не може перейти кордон зерна, так як в новому зерні площину ковзання не збігається з площиною руху цієї дислокації. Протяжність кордонів тим більше, чим менше величина зерна. Оскільки збільшення протяжності кордонів зерен створює більше бар'єрів переміщенню дислокацій, подрібнення зерна призводить до підвищення меж міцності і плинності металевих матеріалів. Залежність межі текучості від розміру зерна описується формулою Петч - Холла:

де і k - постійні характеристики матеріалу; d - розмір (умовний діаметр) зерна.

 
< Попередня   ЗМІСТ   Наступна >
 
Дисципліни
Агропромисловість
Аудит та Бухоблік
Банківська справа
БЖД
Географія
Документознавство
Екологія
Економіка
Етика та Естетика
Журналістика
Інвестування
Інформатика
Історія
Культурологія
Література
Логіка
Логістика
Маркетинг
Медицина
Нерухомість
Менеджмент
Педагогіка
Політологія
Політекономія
Право
Природознавство
Психологія
Релігієзнавство
Риторика
Соціологія
Статистика
Техніка
Страхова справа
Товарознавство
Туризм
Філософія
Фінанси
Пошук