![]() Заглавная страница Избранные статьи Случайная статья Познавательные статьи Новые добавления Обратная связь КАТЕГОРИИ: ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ТОП 10 на сайте Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрацииТехника нижней прямой подачи мяча. Франко-прусская война (причины и последствия) Организация работы процедурного кабинета Смысловое и механическое запоминание, их место и роль в усвоении знаний Коммуникативные барьеры и пути их преодоления Обработка изделий медицинского назначения многократного применения Образцы текста публицистического стиля Четыре типа изменения баланса Задачи с ответами для Всероссийской олимпиады по праву ![]() Мы поможем в написании ваших работ! ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?
Влияние общества на человека
Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации Практические работы по географии для 6 класса Организация работы процедурного кабинета Изменения в неживой природе осенью Уборка процедурного кабинета Сольфеджио. Все правила по сольфеджио Балочные системы. Определение реакций опор и моментов защемления |
Тема 1. Кристаллическое строение металлов. полиморфизм. Дефекты в кристаллах. Теоретическая и фактическая прочность. Влияние кристаллического строения на механические свойства металлов. Анизотропия.Стр 1 из 8Следующая ⇒
ВВЕДЕНИЕ Науку о строении и свойствах технических материалов, изучающую связь между составом, строением и свойствами, называют материаловедением. Используемые в технике металлы принято подразделять на две основные группы — черные и цветные. К черным металлам относят железо и его сплавы (чугун, сталь, ферросплавы). Остальные металлы и их сплавы сос тавляют группу цветных. Из металлов особое значение имеют железо и его сплавы, являющиеся до настоящего времени основным машиностроительным материалом. В общемировом производстве металлов свыше 90% приходятся на железо и его сплавы. Это объясняется ценными физическим* и механическими свойствами черных металлов, а также и тем, что железные руды широко распространены в природе, а производство чугуна и стали сравнительно дешево и просто. Наряду с черными металлами широкое применение в технике имеют цветные металлы. Это объясняется рядом важных физико-химических свойств, которыми не обладают черные металлы. Наиболее широко используют в судостроении, самолетостроении, радиотехнике, электронике и в других отраслях промышленности медь, алюминий, магний, никель, титан, вольфрам, бериллий и другие цветные металлы. Особое развитие за последние годы получило производство композиционных и неметаллических материалов (пластмасс, резины, стекол, клеев, лакокрасочных покрытий и т. д.). Применение композиционных материалов дает возможность создавать новые материалы с заранее заданными свойствами, высокой эффективностью по массе и технологичностью. Пластмассы и другие неметаллические материалы используют в конструкциях машин и механизмов взамен металлов и сплавов. Такие материалы позволяют повысить сроки службы дегалей и узлов машин и установок, снизить массу конструкций, сэкономить дефицитные цветные металлы и сплавы, снизить стоимость и трудоемкость обработки. Рациональный выбор материалов и совершенствование технологических процессов их обработки обеспечивают надежность конструкций, снижают себестоимость и повышают производительность труда.
Тема 1. Кристаллическое строение металлов. Полиморфизм. Дефекты в кристаллах. Теоретическая и фактическая прочность. Влияние кристаллического строения на механические свойства металлов. Анизотропия.
Кристаллическое строение металлов. Полиморфизм Как охарактеризовать атомно-кристаллическое строение металлов? Общее свойство металлов и сплавов – их кристаллическое строение, характеризующееся дальним порядком - определенным закономерным расположением атомов в пространстве. Атомно-кристаллическая структура может быть представлена изображением одной элементарной ячейкой (выделена жирными линиями на рис. 1), повторяющейся в трех измерениях. Рис. 1. Кристаллическая решетка
В точках пересечения прямых линий располагаются элементарные частицы (атомы, ионы); они называются узлами решетки. Расстояния a, b и c между центрами атомов в соседних узлах, называют параметрами или периодами решетки. Период решетки выражается в нанометрах (1нм = 10-9 см). Рис. 2. Типы элементарных ячеек кристаллических решеток металлов и схемы упаковки в них атомов а – гранецентрированная кубическая (ГЦК);б – объемно центрированная кубическая (ОЦК); в – гексагональная плотноупакованная (ГПУ) решетка;
В кубической гранецентрированной решетке (ГЦК) атомы расположены в вершинах куба и в центре каждой грани (Pb, Ni, Ag, Au, Pt, Feγ, Cu и др.) В кубической объемноцентрированной решетке (ОЦК) атомы расположены в вершинах куба, а один – в центре его объема (Feα, Tiβ, W, V, Cr, Nb и др.). В гексагональной плотноупакованной решетке (ГПУ) атомы расположены в вершинах и центре шестигранных оснований призмы, а три атома – в средней плоскости призмы (: Mg, Tiα, Zn, Cd, Be и др.). Для характеристики кристаллических решеток введены понятия базиса решетки, координационного числа и коэффициента компактности. 1.1.3.Что называют базисом решетки? Базисом решетки называют количество атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку. На одну элементарную ячейку ОЦК решетки приходится два атома: один в центре куба и другой атом вносят атомы в вершине куба (рис.3). Рис. 3. Схема определения базиса ОЦК решетки.
Каждый атом в вершине куба одновременно принадлежит восьми сопряженным элементарным ячейкам, и на данную ячейку приходится лишь 1/8 массы этого атома, а на всю ячейку 1/8 x 8 = 1 атом. На элементарную ячейку ГЦК решетки приходится четыре атома; из них один вносят атомы в вершинах куба (1/8 х 8 = 1 атом), а три суммарно (1/2 x 6 = 3 атома) вносят атомы на середине грани, так как каждый из таких атомов принадлежит двум решеткам. На элементарную ячейку гексагональной плотноупакованной решетки приходится шесть атомов (3 + 1/6 х 12 + ½ х 2 = 6). А – К12; б – К8; в – К12. Таким образом, для ОЦК решетки координационное число равно 8, для решетки ГЦК оно составляет 12. ГПУ решетка, для которой c/α = 1,633, также имеет координационное число 12. Из этого следует, что решетка ОЦК менее компактна, чем решетки ГЦК и ГПУ. Дефекты в кристаллах. В любом реальном кристалле всегда имеются дефекты строения, которые оказывают существенное влияние на свойства материала. Существует следующее подразделение дефектов кристаллического строения по геометрическим признакам: точечные, линейны, поверхностные и макродефекты объемного характера. Рис. 6. Краевая дислокация. Линейная атомная полуплоскость PQQ’P’ называется экстраплоскостью, а нижний край экстраплоскости – линией дислокации. Если экстраплоскость находится в верхней части кристалла, то дислокацию называют положительной и обозначают знаком "┴", а если в нижней - то отрицательной и обозначают знаком “┬”.. Дислокации одного знака отталкиваются, а противоположных – притягиваются. Сближение дислокаций разного знака приводит к их взаимному уничтожению (аннигиляции). Из приведенной схемы видно, что атомы над краевой дислокацией испытывают сжатие, а нижние атомы – растяжение. Помимо краевых дислокаций в кристаллах могут образовываться и винтовые дислокации (рис.7). Винтовая дислокация, образованная вращением по часовой стрелке, называется правой, а против часовой стрелки – левой. Вблизи линии дислокации атомы смещены со своих мест и кристаллическая решетка искажена, что вызывает образование поля напряжений; выше линии дислокации решетка сжата, а ниже – растянута.
Рис. 7. Винтовая дислокация.
Энергия искажения кристаллической решетки характеризуется с помощью вектора Бюргерса. Этот вектор может быть получен, если, переходя от узла к узлу, обвести замкнутый контур в реальном кристалле, заключив дислокацию внутрь контура (рис.8). Участок ВС будет состоять из шести отрезков, а участок DA из пяти. Разница ВС – DA = b, где b есть величина вектора Бюргерса. Рис. 8. Схема определения вектора Бюргерса для краевой дислокации: а – решетка с дислокацией; б – решетка без дислокации. Вектор Бюргерса краевой дислокации равен межатомному расстоянию и перпендикулярен линии дислокации. В случае винтовой дислокации он составляет ту же величину, но параллелен линии дислокации. Дислокации образуются при кристаллизации металла, в ходе пластической деформации и фазовых превращениях. Плотность дислокаций может достигать большой величины. Под плотностью дислокаций ρ обычно понимают суммарную длину дислокаций Σ l, приходящуюся на единицу объема V кристалла: ρ = Σ l / V. Таким образом, плотность дислокаций выражается в см/см³, или см -2. Для отожженных металлов плотность дислокаций составляет величину 10³ - 106 см-², после холодной деформации она увеличивается до 1011– 1012 см -2, что соответствует примерно 1 млн. километров дислокаций в 1 см³.
Установлено, что дислокации притягивают в свою зону атомы примесей, которые осаждаются в виде цепочек вдоль края экстраплоскости. Такие атомы снижают уровень упругих искажений дислокационной структуры. Цепочки инородных атомов образуют так называемые атмосферы Котт релла или облака Коттр елла. С повышением температуры облака Коттрелла рассеиваются. При понижении температуры до температуры, соответствующей пределу растворимости, они могут образовывать дисперсные выделения второй фазы. Рис. 10. Схема пластической деформации путем последовательного перемещения дислокации в простой кубической решетке Рис. 11. Влияние искажений кристаллической решетки на прочность кристаллов.
При ограниченной плотности дислокаций процесс сдвига происходит тем легче, чем больше дислокаций в металле. С ростом напряжений возрастает число источников дислокаций и их плотность увеличивается. Помимо параллельных дислокаций возникают дислокации в разных плоскостях и направлениях. Дислокации воздействуют друг на друга, мешают друг другу перемещаться. С повышением плотности дислокаций их движение становится все более затрудненным, что требует увеличения прилагаемой нагрузки для продолжения деформации. В результате металл упрочняется, что соответствует правой ветви кривой на рис.11. Упрочнению способствуют и другие несовершенства кристаллического строения, также тормозящие движение дислокаций. К ним относятся атомы растворенных в металле примесей и легирующих элементов, частицы выделения второй фазы, границы зерен и т.д. На практике препятствие движению дислокаций, т.е. упрочнение, создается введением других элементов (легированием), наклепом, термической или термомеханической обработкой. Снижение температуры также препятствует свободному перемещению дислокаций. При низких температурах прочность растет, а пластичность падает. Металл становится прочным, но хрупким.
Таким образом, повышение прочности металлов и сплавов может быть достигнуто двумя путями: 1) получением металлов с более близким к идеальному строением кристаллической решетки, т.е. металлов, в которых отсутствуют дефекты кристаллического строения или же их число крайне мало; 2) либо, наоборот, увеличением числа структурных несовершенств, препятствующих движению дислокаций. Что называют текстурой? Такая мнимая изотропность металла не будет наблюдаться, если кристаллы имеют одинаковую преимущественную ориентацию в каких-то направлениях. Эта ориентированность, или текстура, создается, например, в результате значительной холодной деформации. В этом случае поликристаллический металл приобретает анизотропию свойств. Свойства деформированного металла вдоль и поперек направления деформации могут существенно различаться.
Тест к теме 1. Кристаллическое строение металлов. Полиморфизм. Дефекты в кристаллах. Теоретическая и фактическая прочность. Влияние кристаллического строения на механические свойства металлов. Анизотропия. 1.1.1. 1.Для металлов в твердом состоянии характерен следующий порядок расположения атомов: А) ближний порядок; Б) дальний порядок. 2. Расстояния a, b и c между центрами атомов, находящихся в соседних узлах элементарной ячейки, называется: А) базисом решетки; Б) периодами решетки. 1.1. 2. 3. Какие тип элементарных ячеек кристаллических решеток представлен на рис.1?
Рис.1 А) гранецентрированная кубическая (ГЦК); Б) объемно центрированная кубическая (ОЦК); В) гексагональная плотноупакованная (ГПУ) решетка. Вопросы к теме 1. Кристаллическое строение металлов и его влияние на механические свойства. Полиморфизм. Дефекты в кристаллах, теоретическая прочность.
12. Что понимают под размером зерна?
15. Чем объясняется большое расхождение между теоретической и фактической прочностью металла? 16. Каково значение теории дислокаций? 17. Как зависит прочность металла от степени плотности дислокаций? 18. Какие еще факторы способствуют упрочнению металла?
Тест к теме 1. Кристаллическое строение металлов. Полиморфизм. Дефекты в кристаллах. Теоретическая и фактическая прочность. Влияние кристаллического строения на механические свойства металлов. Анизотропия.
1.1.1. 1.Для металлов в твердом состоянии характерен следующий порядок расположения атомов: А) ближний порядок; Б) дальний порядок. 2. Расстояния a, b и c между центрами атомов, находящихся в соседних узлах элементарной ячейки, называется: А) базисом решетки; Б) периодами решетки. 1.1. 2. 3. Какие тип элементарных ячеек кристаллических решеток представлен на рис.1?
Рис.1 А) гранецентрированная кубическая (ГЦК); Б) объемно центрированная кубическая (ОЦК); В) гексагональная плотноупакованная (ГПУ) решетка.
Рис. 6. Краевая дислокация. Линейная атомная полуплоскость PQQ’P’ называется экстраплоскостью, а нижний край экстраплоскости – линией дислокации. Если экстраплоскость находится в верхней части кристалла, то дислокацию называют положительной и обозначают знаком "┴", а если в нижней - то отрицательной и обозначают знаком “┬”.. Дислокации одного знака отталкиваются, а противоположных – притягиваются. Сближение дислокаций разного знака приводит к их взаимному уничтожению (аннигиляции). Из приведенной схемы видно, что атомы над краевой дислокацией испытывают сжатие, а нижние атомы – растяжение. Помимо краевых дислокаций в кристаллах могут образовываться и винтовые дислокации (рис.7). Винтовая дислокация, образованная вращением по часовой стрелке, называется правой, а против часовой стрелки – левой. Вблизи линии дислокации атомы смещены со своих мест и кристаллическая решетка искажена, что вызывает образование поля напряжений; выше линии дислокации решетка сжата, а ниже – растянута.
Рис. 7. Винтовая дислокация.
Энергия искажения кристаллической решетки характеризуется с помощью вектора Бюргерса. Этот вектор может быть получен, если, переходя от узла к узлу, обвести замкнутый контур в реальном кристалле, заключив дислокацию внутрь контура (рис.8). Участок ВС будет состоять из шести отрезков, а участок DA из пяти. Разница ВС – DA = b, где b есть величина вектора Бюргерса. Рис. 8. Схема определения вектора Бюргерса для краевой дислокации: а – решетка с дислокацией; б – решетка без дислокации. Вектор Бюргерса краевой дислокации равен межатомному расстоянию и перпендикулярен линии дислокации. В случае винтовой дислокации он составляет ту же величину, но параллелен линии дислокации. Дислокации образуются при кристаллизации металла, в ходе пластической деформации и фазовых превращениях. Плотность дислокаций может достигать большой величины. Под плотностью дислокаций ρ обычно понимают суммарную длину дислокаций Σ l, приходящуюся на единицу объема V кристалла: ρ = Σ l / V. Таким образом, плотность дислокаций выражается в см/см³, или см -2. Для отожженных металлов плотность дислокаций составляет величину 10³ - 106 см-², после холодной деформации она увеличивается до 1011– 1012 см -2, что соответствует примерно 1 млн. километров дислокаций в 1 см³. Установлено, что дислокации притягивают в свою зону атомы примесей, которые осаждаются в виде цепочек вдоль края экстраплоскости. Такие атомы снижают уровень упругих искажений дислокационной структуры. Цепочки инородных атомов образуют так называемые атмосферы Котт релла или облака Коттр елла. С повышением температуры облака Коттрелла рассеиваются. При понижении температуры до температуры, соответствующей пределу растворимости, они могут образовывать дисперсные выделения второй фазы. Рис. 10. Схема пластической деформации путем последовательного перемещения дислокации в простой кубической решетке Рис. 11. Влияние искажений кристаллической решетки на прочность кристаллов.
При ограниченной плотности дислокаций процесс сдвига происходит тем легче, чем больше дислокаций в металле. С ростом напряжений возрастает число источников дислокаций и их плотность увеличивается. Помимо параллельных дислокаций возникают дислокации в разных плоскостях и направлениях. Дислокации воздействуют друг на друга, мешают друг другу перемещаться. С повышением плотности дислокаций их движение становится все более затрудненным, что требует увеличения прилагаемой нагрузки для продолжения деформации. В результате металл упрочняется, что соответствует правой ветви кривой на рис.11. Упрочнению способствуют и другие несовершенства кристаллического строения, также тормозящие движение дислокаций. К ним относятся атомы растворенных в металле примесей и легирующих элементов, частицы выделения второй фазы, границы зерен и т.д. На практике препятствие движению дислокаций, т.е. упрочнение, создается введением других элементов (легированием), наклепом, термической или термомеханической обработкой. Снижение температуры также препятствует свободному перемещению дислокаций. При низких температурах прочность растет, а пластичность падает. Металл становится прочным, но хрупким. Таким образом, повышение прочности металлов и сплавов может быть достигнуто двумя путями: 1) получением металлов с более близким к идеальному строением кристаллической решетки, т.е. металлов, в которых отсутствуют дефекты кристаллического строения или же их число крайне мало; 2) либо, наоборот, увеличением числа структурных несовершенств, препятствующих движению дислокаций. Что называют текстурой? Такая мнимая изотропность металла не будет наблюдаться, если кристаллы имеют одинаковую преимущественную ориентацию в каких-то направлениях. Эта ориентированность, или текстура, создается, например, в результате значительной холодной деформации. В этом случае поликристаллический металл приобретает анизотропию свойств. Свойства деформированного металла вдоль и поперек направления деформации могут существенно различаться.
ВВЕДЕНИЕ Науку о строении и свойствах технических материалов, изучающую связь между составом, строением и свойствами, называют материаловедением. Используемые в технике металлы принято подразделять на две основные группы — черные и цветные. К черным металлам относят железо и его сплавы (чугун, сталь, ферросплавы). Остальные металлы и их сплавы сос тавляют группу цветных. Из металлов особое значение имеют железо и его сплавы, являющиеся до настоящего времени основным машиностроительным материалом. В общемировом производстве металлов свыше 90% приходятся на железо и его сплавы. Это объясняется ценными физическим* и механическими свойствами черных металлов, а также и тем, что железные руды широко распространены в природе, а производство чугуна и стали сравнительно дешево и просто. Наряду с черными металлами широкое применение в технике имеют цветные металлы. Это объясняется рядом важных физико-химических свойств, которыми не обладают черные металлы. Наиболее широко используют в судостроении, самолетостроении, радиотехнике, электронике и в других отраслях промышленности медь, алюминий, магний, никель, титан, вольфрам, бериллий и другие цветные металлы. Особое развитие за последние годы получило производство композиционных и неметаллических материалов (пластмасс, резины, стекол, клеев, лакокрасочных покрытий и т. д.). Применение композиционных материалов дает возможность создавать новые материалы с заранее заданными свойствами, высокой эффективностью по массе и технологичностью. Пластмассы и другие неметаллические материалы используют в конструкциях машин и механизмов взамен металлов и сплавов. Такие материалы позволяют повысить сроки службы дегалей и узлов машин и установок, снизить массу конструкций, сэкономить дефицитные цветные металлы и сплавы, снизить стоимость и трудоемкость обработки. Рациональный выбор материалов и совершенствование технологических процессов их обработки обеспечивают надежность конструкций, снижают себестоимость и повышают производительность труда.
Тема 1. Кристаллическое строение металлов. Полиморфизм. Дефекты в кристаллах. Теоретическая и фактическая прочность. Влияние кристаллического строения на механические свойства металлов. Анизотропия.
|
|||||||||
Последнее изменение этой страницы: 2021-07-18; просмотров: 76; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы! infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 3.142.98.186 (0.065 с.) |