какие дефекты кристаллической решетки обеспечивают высокую пластичность металлов

Опорный конспект «Материаловедение»

Раздел 1. строение и свойства металлических сплавов

Тема 1.2. Кристаллическое строение и

свойства металлов

Все написанное ниже справедливо для любых кристаллических материалов, но можно начать с чистых металлов, являющихся основой металлических сплавов, т. е. большинства промышленных материалов.

Физической основой обсуждаемых здесь проблем являются представления об атомном строении твердых тел, изучаемые в соответствующих темах физики и химии, содержание которых желательно освежить в памяти.

1.2.1. Кристаллические решетки металлов

Металлы обычного способа производства имеют кристаллическое строение. В кристаллах атомы расположены строго упорядоченным образом так, что, если через их центры провести воображаемые линии вдоль трех координатных осей, они образуют пространственную (кристаллическую) решетку (рис. 1.2.1).

Рис. 1.2.1. Пространственная кристаллическая решетка

Основное свойство кристаллических решеток – их пространственная периодичность. Это значит, что любую кристаллическую решетку можно представить состоящей из множества одинаковых соприкасающихся микрообъемов, называемых элементарными ячейками. В общем случае элементарная ячейка представляет собой параллелепипед, построенный на трех векторах , , (рис. 1.2.1).

Тип кристаллической решетки определяется формой элементарной ячейки и характером расположения в них атомов.

Количественно кристаллические решетки описываются тремя основными характеристиками:

1. Период (или параметр) решетки – расстояние между соседними узлами решетки вдоль трех координатных осей. В общем случае решетка характеризуется тремя параметрами – скалярными величинами а, в, с (рис. 1.2.1.).

В случае простой кубической решетки (рис. 1.2.2) имеется один параметр решетки, равный ребру элементарной ячейки (куба).

Рис. 1.2.2. Элементарная ячейка простой кубической решетки (а) и схема упаковки в ней атомов (б)

Очевидно, что величина параметра решетки очень мала (в металлах ≈0,2…0,6 нм; 1 нм = 10-9м) и определяется рентгеноструктурным анализом.

2. Координационное число (К) – число ближайших соседей, окружающих данный атом и находящихся от него на одинаковых расстояниях. Для оценки величины К нужно представить, что элементарная ячейка со всех сторон окружена себе подобными (рис. 1.2.3).

Рис. 1.2.3. Определение координационного числа и относительной плотности упаковки в простой кубической решетке

Видно, что в простой кубической решетке К = 6.

3. Относительная плотность упаковки решетки атомами (q) – отношение объема, занимаемого атомами в ячейке, к объему самой ячейки, т. е.

q = (1.2.1)

где r – радиус атома, а – параметр решетки (см. рис. 1.2.2), n – число целых атомов, приходящихся на одну ячейку.

Очевидно, что в простой кубической решетке n = (см. рис. 1.2.3), поэтому легко подсчитать (учитывая, что а = 2r), что в простой кубической решетке q = 52 %. Такая решетка является «рыхлой», так как 48 % ее объема приходится на межатомные пустоты.

Металлическим элементам свойственны плотноупакованные решетки с высокой степенью компактности, т. е. с большими значениями К и q.

Многие металлы имеют объемноцентрированную (ОЦК) и гранецентрированную (ГЦК) решетки, их характеристики приведены на рис. 1.2.4.

Рис. 1.2.4. Объемноцентрированная (ОЦК) и гранецентрированная (ГЦК) решетки

Например, ОЦК решетку имеет Feα (или α–Fe), а ГЦК решетку – Feγ (или γ–Fe). Такая способность некоторых веществ иметь различный тип решетки называется полиморфизмом.

Полиморфизм железа играет важнейшую роль в формировании структуры и свойств железоуглеродистых сплавов – сталей и чугунов (Темы 2.1 и 2.2 «Опорного конспекта»).

1.2.2. Дефекты кристаллической решетки

(реальное строение кристаллов)

В реальных кристаллах всегда имеются отклонения от идеального порядка в расположении атомов, называемые несовершенствами или дефектами решетки. По геометрии вызываемых ими нарушений решетки дефекты подразделяют на точечные, линейные и поверхностные.

На рис. 1.2.5 показаны различные виды точечных дефектов. Это вакансии – пустые узлы решетки, «свои» атомы в междоузлии и атомы примесей в узлах решетки и междоузлиях. Основная причина образования первых двух видов дефектов – движение атомов, интенсивность которого возрастает с повышением температуры.

Рис. 1.2.5. Типы точечных дефектов кристаллической решетки:

2 – атом в междоузлии,

3 и 4 – атомы примесей в узле и междоузлии соответственно

Вокруг любого точечного дефекта возникает местное искажение решетки радиусом R в 1…2 периода решетки (см. рис. 1.2.6), поэтому, если таких дефектов много, они влияют на характер распределения межатомных сил связи и, соответственно, на свойства кристаллов.

Рис. 1.2.6. Локальное искажение кристаллической решетки вокруг вакансии (а) и примесного атома в узле решетки (б)

Линейные дефекты называются дислокациями. Их появление вызвано наличием в отдельных частях кристалла «лишних» атомных полуплоскостей (экстраплоскости). Они возникают в процессе кристаллизации металлов (из-за нарушения порядка заполнения атомных слоев) или в результате их пластического деформирования, как показано на рис. 1.2.7.

Видно, что под влиянием сдвигающего усилия произошел частичный сдвиг верхней части кристалла вдоль некоторой плоскости скольжения («легкого сдвига») АВСD. В результате образовалась экстраплоскость EFGH. Поскольку она не имеет продолжения вниз, вокруг ее края EH возникает упругое искажение решетки радиусом в несколько межатомных расстояний (т. е.» 10-7см – см. тема 1.2.1), протяженность же этого искажения во много раз больше (может доходить до » 0,1…1 см).

Такое несовершенство кристалла вокруг края экстраплоскости является линейным дефектом решетки и называется краевой дислокацией.

Важнейшие механические свойства металлов – прочность и пластичность (см. тема 1.1) – определяются наличием дислокаций и их поведением при нагружении тела.

Остановимся на двух особенностях механизма перемещения дислокаций.

1. Дислокации могут весьма легко (при малой нагрузке ) передвигаться вдоль плоскости скольжения посредством «эстафетного» перемещения экстраплоскости. На рис. 1.2.8 показан начальный этап такого движения (двумерный рисунок в плоскости, перпендикулярной линии краевой дислокации).

Рис. 1.2.8. Начальный этап эстафетного перемещения краевой дислокации (^).

А-А – плоскость скольжения,

1-1 экстраплоскость (исходная позиция)

Этот механизм не требует больших усилий, т. к. состоит из последовательных микросмещений, затрагивающих лишь ограниченное число атомов, окружающих экстраплоскость.

2. Очевидно, однако, что такая легкость скольжения дислокаций будет наблюдаться лишь в том случае, когда на их пути отсутствуют какие – либо препятствия. Такими препятствиями являются любые дефекты решетки (особенно линейные и поверхностные!), а также частицы других фаз, если они присутствуют в материале. Эти препятствия создают искажения решетки, преодоление которых требует дополнительных внешних усилий, поэтому могут заблокировать движение дислокаций, т. е. сделать их неподвижными.

Все промышленные металлы (сплавы) являются поликристаллическими материалами, т. е. состоят из огромного количества мелких (обычно 10-2…10-3 см), хаотически ориентированных кристалликов, называемых зернами. Очевидно, что периодичность решетки, присущая каждому зерну (монокристаллу), в таком материале нарушена, поскольку кристаллографические плоскости зерен повернуты относительно друг друга на угол α (см. рис. 1.2.9), величина которого колеблется от долей до нескольких десятков градусов.

Рис. 1.2.9. Схема строения границ зерен в поликристаллическом материале

Граница между зернами представляет собой переходный слой шириной до 10 межатомных расстояний, обычно с неупорядоченным расположением атомов. Это место скопления дислокаций, вакансий, примесных атомов. Поэтому в объеме поликристаллического материала границы зерен являются двумерными, поверхностными дефектами.

1.2.3. Влияние дефектов решетки на механические свойства

кристаллов. Пути повышения прочности металлов

В этой теме рассмотрим, в основном, влияние дефектов решетки на прочность кристаллических материалов.

В теме 1.1 отмечалось, что прочность – это способность материала сопротивляться деформации и разрушению под действием внешней нагрузки.

Под прочностью кристаллических тел понимают их сопротивление приложенной нагрузке, стремящейся сдвинуть или, в пределе, оторвать одну часть кристалла относительно другой.

Наличие в металлах подвижных дислокаций (уже в процессе кристаллизации возникает до 106…108 дислокаций в сечении, равном 1см2) приводит к их пониженной сопротивляемости нагружению, т. е. высокой пластичности и невысокой прочности.

Очевидно, что наиболее эффективным способом повышения прочности будет удаление дислокаций из металла. Однако такой путь не технологичен, т. к. бездислокационные металлы удается получать лишь в виде тонких нитей (так называемых «усов») диаметром в несколько микрон и длиной до » 10 мкм.

Поэтому практические способы упрочнения основаны на торможении, блокировании подвижных дислокаций путем резкого увеличения числа дефектов решетки (в первую очередь линейных и поверхностных!), а также создании многофазных материалов (см. параграф 1.2.2.).

Такими традиционными методами повышения прочности металлов являются:

– пластическое деформирование (явление наклепа или нагартовки),

– термическая (и химико-термическая) обработка,

– легирование (введение специальных примесей) и, наиболее общий подход, – это создание сплавов.

В заключение следует отметить, что повышение прочности, основанное на блокировании подвижных дислокаций, приводит к снижению пластичности и ударной вязкости и, соответственно, эксплуатационной надежности материала.

Поэтому вопрос о степени упрочнения необходимо решать индивидуально, исходя из назначения и условий работы изделия.

Вы осилили и эту тему. Многое в нем должно быть знакомо по школьным и вузовским курсам физики и химии, поэтому Вы должны успешно справиться с вопросами для самопроверки и тестовыми заданиями.

Вопросы для самопроверки к теме 1.2.

1. В чем особенность кристаллического строения?

2. Какими характеристиками описывают кристаллические решетки?

3. Что такое период решетки; какова его примерная величина?

4. Определите координационное число и относительную плотность упаковки простой кубической решетки.

5. какие разновидности кубических решеток свойственны металлическим элементам?

6. Что такое полиморфизм?

7. Что такое дефекты решетки? Назовите их разновидности.

8. Перечислите основные виды точечных дефектов. Охарактеризуйте нарушения в решетке, создаваемые этими дефектами.

9. Что такое краевые дислокации? Как они возникают?

10. Каков механизм перемещения дислокаций?

11. Как влияет совершенство кристаллической решетки на подвижность дислокаций?

12. Что представляют собой поверхностные дефекты решетки?

13. Что является причиной пониженной прочности технических (неупрочненных) металлов?

14. Каковы принципы повышения прочности металлов?

15. Перечислите практические методы упрочнения металлов?

16. Как влияют традиционные методы повышения прочности на пластичность и ударную вязкость металлов?

Промежуточные Тесты к теме 1.2.

I. Каков наиболее вероятный порядок величины периода (параметра) кристаллической решетки:

II. Сколько целых атомов приходится на элементарную ячейку простой кубической решетки:

III. Какой вид дефектов кристаллической решетки обеспечивает высокую пластичность металлов:

4. дислоцированные (междоузельные) атомы;

IV. Какое из перечисленных утверждений неверно? Холодная пластическая деформация:

1. повышает прочность металла;

2. повышает электросопротивление;

3. снижает пластичность;

4. повышает ударную вязкость;

5. повышает твердость.

V. Какое из перечисленных утверждений неверно? Практические пути повышения прочности металлов основаны на:

1. увеличении количества точечных дефектов;

Источник

Влияние дефектов решетки на механические

Свойства кристаллов.

Пути повышения прочности металлов

В этой теме рассмотрим, в основном, влияние дефектов решетки на прочность кристаллических материалов.

В теме 1.1 отмечалось, что прочность – это способность материала сопротивляться деформации и разрушению под действием внешней нагрузки.

Под прочностью кристаллических тел понимают их сопротивление приложенной нагрузке, стремящейся сдвинуть или, в пределе, оторвать одну часть кристалла относительно другой.

Наличие в металлах подвижных дислокаций (уже в процессе кристаллизации возникает до 10 6 …10 8 дислокаций в сечении, равном 1см 2 ) приводит к их пониженной сопротивляемости нагружению, т.е. высокой пластичности и невысокой прочности.

Очевидно, что наиболее эффективным способом повышения прочности будет удаление дислокаций из металла. Однако такой путь не технологичен, т.к. бездислокационные металлы удается получать лишь в виде тонких нитей (так называемых «усов») диаметром в несколько микрон и длиной до » 10 мкм.

Поэтому практические способыупрочнения основаны на торможении, блокировании подвижных дислокаций путем резкого увеличения числа дефектов решетки (в первую очередь линейных и поверхностных!), а также создании многофазных материалов (см. параграф 1.2.2.).

Такими традиционными методами повышения прочностиметаллов являются:

– пластическое деформирование (явление наклепа или нагартовки),

– термическая (и химико-термическая) обработка,

– легирование (введение специальных примесей) и, наиболее общий подход, – это создание сплавов.

В заключение следует отметить, что повышение прочности, основанное на блокировании подвижных дислокаций, приводит к снижению пластичности и ударной вязкости и, соответственно, эксплуатационной надежности материала.

Поэтому вопрос о степени упрочнения необходимо решать индивидуально, исходя из назначения и условий работы изделия.

Внимание!

Вы осилили и эту тему. Многое в нем должно быть знакомо по школьным и вузовским курсам физики и химии, поэтому Вы должны успешно справиться с вопросами для самопроверки и тестовыми заданиями.

Вопросы для самопроверки к теме 1.2

1. В чем особенность кристаллического строения?

2. Какими характеристиками описывают кристаллические решетки?

3. Что такое период решетки; какова его примерная величина?

4. Определите координационное число и относительную плотность упаковки простой кубической решетки.

5. какие разновидности кубических решеток свойственны металлическим элементам?

6. Что такое полиморфизм?

7. Что такое дефекты решетки? Назовите их разновидности.

8. Перечислите основные виды точечных дефектов. Охарактеризуйте нарушения в решетке, создаваемые этими дефектами.

9. Что такое краевые дислокации? Как они возникают?

10. Каков механизм перемещения дислокаций?

11. Как влияет совершенство кристаллической решетки на подвижность дислокаций?

12. Что представляют собой поверхностные дефекты решетки?

13. Что является причиной пониженной прочности технических (неупрочненных) металлов?

14. Каковы принципы повышения прочности металлов?

15. Перечислите практические методы упрочнения металлов?

16. Как влияют традиционные методы повышения прочности на пластичность и ударную вязкость металлов?

Промежуточные тесты к теме 1.2

I. Каков наиболее вероятный порядок величины периода (параметра) кристаллической решетки?

II. Сколько целых атомов приходится на элементарную ячейку простой кубической решетки?

III. Какой вид дефектов кристаллической решетки обеспечивает высокую пластичность металлов?

4. Дислоцированные (междоузельные) атомы.

IV. Какое из перечисленных утверждений неверно? Холодная пластическая деформация:

1) повышает прочность металла;

2) повышает электросопротивление;

3) снижает пластичность;

4) повышает ударную вязкость;

5) повышает твердость.

V. Какое из перечисленных утверждений неверно? Практические пути повышения прочности металлов основаны на:

1) увеличении количества точечных дефектов;

Источник

Влияние типа кристаллической решетки на пластичность материалов

Основные типы решеток, точечные и линейные дефекты. Связь строения кристаллической решетки с механическими и физическими свойствами материала. Реальное строение кристаллов, формы пластической деформации. Свойства металлов, применяемых в строительстве.

Влияние типа кристаллической решетки на пластичность материалов

1. Типы кристаллических решёток

2. Влияние типов кристаллической решётки на пластичность материалов

Список используемой литературы

Для конструкционных материалов основными свойствами являются:

физические: плотность, теплопроводность, теплоемкость, электропроводность, магнитные свойства;

химические: способность вступать в химические соединения, жаростойкость;

механические: прочность, пластичность, твердость, упругость и вязкость.;

технологические: жидкотекучесть, ковкость, обрабатываемость резанием;

эксплуатационные: сопротивление коррозии, изнашиванию и усталости, жаропрочность, хладостойкость и др.

Все эти свойства определяются составом и строением материалов.

Среди различных физических и химических параметров материалов одними из достаточно значимых считаются их пластичность и хрупкость. Пластичностью называют способность любого материала менять свою форму, а также размеры под воздействием некоторого усилия, но при этом:

— не образовывать трещин;

— сохранять образовываемую форму после завершения (снятия) прилагаемой нагрузки.

Идеальная кристаллическая решетка представляет собой многократное повторение элементарных кристаллических ячеек. Для реального металла характерно наличие большого количества дефектов строения, нарушающих периодичность расположения атомов в кристаллической решетке. Эти дефекты оказывают существенное влияние на свойства материала.

Основные свойства материалов можно подразделить на физические, механические, технологические и эксплуатационные.

От физических и механических свойств зависят технологические и эксплуатационные свойства материалов.

Среди механических свойств прочность занимает особое место, так как прежде всего от нее зависит неразрушаемость изделий под воздействием эксплуатационных нагрузок. Учение о прочности и разрушении является одной из важнейших составных частей материаловедения. Оно является теоретической основой для выбора подходящих конструкционных материалов для деталей различного целевого назначения и поиска рациональных способов формирования в них требуемых прочностных свойств для обеспечения надежности и долговечности изделий [1].

1. Типы кристаллических решёток

Абсолютно любое химическое вещество, существующее в природе, образовано большим числом одинаковых частиц, которые связаны между собою. Все вещества существуют в трёх агрегатных состояниях: газообразном, жидком и твёрдом. Когда затруднено тепловое движение (при низких температурах), а также в твердых веществах частицы строго ориентированы в пространстве, что проявляется в их точной структурной организации.

Кристаллическая решётка бывает четырех типов: металлическая, молекулярная, атомная, ионная. Типы решеток определяются в соответствии с видом частиц, расположенных в их узлах, а также характером связей между ними [4, 6, 12].

Кристаллическая решётка называется молекулярной в том случае, если в ее узлах располагаются молекулы. Они связаны между собой межмолекулярными сравнительно слабыми силами, называемые ван-дер-ваальсовыми, однако сами атомы внутри молекулы соединяются существенно более сильной ковалентной связью (полярной либо неполярной). Молекулярная кристаллическая решетка свойственна хлору, твердому водороду, двуокиси углерода и другим веществам, являющимся газообразными при обычной температуре.

Кристаллы, которые образуют благородные газы, также имеют молекулярные решетки, состоящие из одноатомных молекул. Большинство твердых органических веществ имеют именно такую структуру. Число же неорганических веществ, которым свойственна молекулярная структура, весьма невелико. Это, например, твердые галогеноводороды, природная сера, лед, твердые простые вещества и некоторые другие.

Металлической называется такая кристаллическая решетка, узлы которой сформированы атомами и положительными ионами (катионами) металла со свободными валентными электронами (отцепившимися от атомов при образовании ионов), беспорядочно движущимися в объеме кристалла. Однако эти электроны по существу являются полусвободными, так как могут беспрепятственно перемещаться только в рамках, которые ограничивает данная кристаллическая решетка [3].

Металлическая кристаллическая решетка характерна, главным образом, для элементарных металлов, а также для соединений различных металлов друг с другом. Основные свойства, которые присущи металлическим кристаллам(механическая прочность, летучесть, температура плавления), достаточно сильно колеблются. Однако такие физические свойства, как пластичность, ковкость, высокая электро- и теплопроводность, характерный металлический блеск свойственны лишь исключительно кристаллам с металлической решеткой.

Все металлы являются кристаллическими телами, имеющими определенный тип кристаллической решетки, состоящей из малоподвижных положительно заряженных ионов, между которыми движутся свободные электроны (так называемый электронный газ). Такой тип структуры называется металлической связью.

Тип решетки определяется формой элементарного геометрического тела, многократное повторение которого по трем пространственным осям образует решетку данного кристаллического тела.

2. Кубическая объёмно-центрированная решётка EMBED PBrush характерна для тугоплавких металлов. a =1,21·d. 1/8·8 +1 =2. Feб, Ti, W, Nb.

Основные типы решеток (Таб.1)

Объемно-центрированная кубическая (ОЦК)

Гранецентрированная кубическая (ГЦК)

Интересна связь строения кристаллической решетки с механическими и физическими свойствами материала. От прочности связи зависит степень сопротивления деформации. От строения зависит способность к пластической деформации. Деформирование происходит за счет сдвига атомных плоскостей. Сдвиг происходит наиболее легко вдоль атомных плоскостей с наиболее плотной упаковкой атомов. Рассмотрим объемно-центрическую кубическую решетку (ОЦК):

В плоскости ABGH плотность упаковки больше чем в ABСD. Наиболее вероятен сдвиг вдоль диагональных плоскостей [9].

Реальное строение кристаллов.

Неоднородный химический состав и внешние условия вызывают дефекты кристаллической решетки. Выделяют дефекты трех типов:

1) точечные (вакансии, внедренные атомы);

2) линейные (краевые и винтовые дислокации);

3) объемные (микропоры, трещины, газовые пузырьки).

Внедренные атомы: а) чужеродный атом в узле кристаллической решетки; б) атом вне узла, в межузельном пространстве.

От типа кристаллической решетки сильно зависят свойства металла.

2. Влияние типов кристаллической решётки на пластичность материалов

Свойства металлов, применяемых в строительстве, определяются в основном механическими и технологическими характеристиками.

С понятием деформации связаны два механических свойства металла :

— Прочность- сопротивление металла (сплава) деформации и разрушению.

— Способность металла под воздействием внешних сил деформироваться без разрушения и сохранять остаточную деформацию называют пластичностью.

Многочисленные исследования изменения структуры поверхности твердых тел при пластической деформации свидетельствуют о том, что пластическая деформация происходит путем послойного смещения одной части кристалла относительно другой.

Пластическими называют деформации, при которых происходит необратимое смещение атомов в кристаллической решётке под действием предельных значений касательных напряжений ф. Необратимое смещение атомов в решётке происходит за счёт сдвига части атомов при их скольжении по плоскостям сдвига в направлениях наиболее плотной упаковки. Сдвигу атомов по плоскостям скольжения явно способствуют искажения решётки, вызванные дислокациями.

Дислокации принадлежат к линейным несовершенствам кристалла. Они являются особым типом несовершенств в решетке, резко отличным по своей природе от других, в том числе, и линейных несовершенств. Первоначально представления о дислокациях были введены в физику кристаллов (Орован, Поляни, Тэйлор, 1934 г.) для того, чтобы объяснить несоответствие между наблюдаемой и теоретической прочностью и описать атомный механизм скольжения при пластической деформации кристаллов. Впоследствии теория дислокаций получила широкое развитие и стала применяться для анализа самых разнообразных явлений в металлах и сплавах [7].

Дислокации под действием касательных напряжений легко перемещаются в направлении действия сил, облегчая тем самым пластическое (остаточное) деформирование. При пластическом (остаточном) деформировании после снятия внешней нагрузки в деформируемом теле наблюдается остаточное изменение формы и размеров при сохранении сплошности тела. При дальнейшем развитии пластического деформирования может произойти пластичное (вязкое) разрушение путём сдвига.

Как было сказано ранее, сдвиг в кристаллической решётке сопровождается скольжением одной части решётки относительно другой в направлении наиболее плотной упаковки атомов. Эти плоскости называются плоскостями скольжения или сдвига и зависят от типа кристаллической решётки. Чем больше элементов сдвига в решётке, тем выше пластичность металла. Заштрихованные плоскости являются плоскостями скольжения. По этим плоскостям смещаются атомы вещества при пластическом деформировании кристалла [3].

Реальные металлы состоят из большого числа кристаллов и имеют большое число дефектов, которые получаются при кристаллизации из расплава. К линейным дефектам относятся дислокации. Дефекты в металлах снижают его прочность, но например, бездефектное железо невозможно подвергнуть пластическому деформированию, а следовательно затруднена его обработка в холодном состоянии.

Итак: Пластическая деформация в кристаллах может осуществляться скольжением и двойникованием. Скольжение- это смещение частей кристалла друг относительно друга и зависит от вида кристаллической решётки. Чем больше направлений в кристалле вдоль которых происходит скольжение, тем пластичнее металл.

Процесс скольжения не нужно представлять, как одновременное передвижение одной части кристалла относительно другой. Скольжение осуществляется в результате перемещения в кристалле дислокаций т.е перемещение атомов. Дислокации могут двигаться по плоскости скольжения в кристаллической решетке при очень малых напряжениях сдвига. Подтверждением этого служат небольшие напряжения при которых происходит пластическая деформация у монокристаллов чистых металлов. При больших деформациях движение дислокаций вызывает появление или размножение большого количества новых дислокаций в процессе пластической деформации.

Двойникование. Пластическая деформация некоторых металлов, имеющих плотноупакованные решётки, помимо скольжения, может осуществляться двойникованием, которое сводится к переориентировке части кристалла в положение, симметричное по отношению к первой части относительно плоскости, называемой плоскостью двойникования. Двойникование подобно скольжению сопровождается прохождением дислокаций сквозь кристалл.

Пластичность металла очень важное свойство, кот учитывается и при проектировании деталей механизмов и в машине, что особенно важно при изготовлении этих деталей давлением, резанием и т.д. По показаниям пластичности можно дать частичную оценку свойств различных металлов, а также произвести контроль качества их изготовления [5].

Свойства металлов, влияющих на прочность металла, определяют с помощью испытаний.

Для пластичных металлов предел прочности ув. характеризует сопротивление металла значительным пластическим деформациям.

На пластичность материала влияют различные факторы:

1)Чем больше в металле возможных плоскостей и направлений скольжения, тем выше его способность к пластической деформации. Металлы, имеющие кубическую кристаллическую решётку (например, алюминий, медь) обладают высокой пластичностью, так как скольжение в них происходит во многих направлениях. Металлы с гексагональной плотноупакованной структурой(цинк, магний) менее пластичны и поэтому труднее, чем металлы с кубической структурой, поддаются прокатке, штамповке и другим способам деформации.

2)С увеличением плотности дислокаций происходит взаимодействие между ними, что тормозит их перемещение и уменьшает пластичность. В металле, упрочённом деформацией, при нагреве обычно повышается пластичность (напр., у меди, никеля).

3)Перспективными являются волокнистые (композиционные материалы). Высокая прочность и пластичность в них достигается путём армирования мягкой металлической матрицы (медь, алюминий, серебро и т.д.) бездефектными нитевидными кристаллами или волокнами неметаллов (напр., углеродные волокна)

4)Деформация бывает горячая- при температуре выше температуры рекристаллизации. Её в зависимости от состава сплава обычно проводят при Т=0,7-0,75 Т пл. При такой темп снижается сопротивление металла пластической деформации и повышается пластичность.

5)Снижение температуры повышает сопротивление пластической деформации уменьшается пластичность. Поэтому металлы, вязкие при сравнительно высоких температурах, могут при низких температурах разрушаться хрупко.

6)На пластичность влияют различные соединения и примеси. В стали, например, количество цементита прямо пропорционально содержанию углерода и чем его больше, тем больше сопротивление деформации и уменьшение пластичности. Марганец повышает прочность и практически не влияет на пластичность. Сера снижает пластичность( особенно в поперечном направлении вытяжки при прокате и ковке) Фосфор сильно уменьшает пластичность. 7) Скорость и степень деформации зависят от приложенной силы. у = P / F кгс/ммІ [10].

кристаллическая решетка пластичность материал

Обычно кусок металла состоит из скопления большого числа маленьких кристаллов неправильной формы, называемых зёрнами. Кристаллические решётки в отдельных зёрнах ориентированы относительно друг друга случайным образом. Поверхности раздела зёрен называются границами зёрен. Такой кусок металла является поликристаллом. При определённых условиях, обычно при очень медленном контролируемом отводе тепла при кристаллизации (затвердевании металла), может быть получен кусок металла, представляющий собой один кристалл, его называют монокристаллом. Встречаются в природе кристаллы, как монокристаллы, так и зёрна в поликристаллах, никогда не обладают строгой периодичностью в расположении атомов, т.е. не являются идеальными кристаллами. В действительности реальные кристаллы содержат несовершенства (дефекты) кристаллического строения.

Наличие в металлах подвижных дислокаций (уже в процессе кристаллизации возникает до 106…108 дислокаций в сечении, равном 1см2) приводит к их пониженной сопротивляемости нагружению, т.е. высокой пластичности и невысокой прочности.

Очевидно, что наиболее эффективным способом повышения прочности будет удаление дислокаций из металла. 10 мкм.Однако такой путь не технологичен, т.к. бездислокационные металлы удается получать лишь в виде тонких нитей (так называемых «усов») диаметром в несколько микрон и длиной до 10 мкм.

Поэтому практические способы упрочнения основаны на торможении, блокировании подвижных дислокаций путем резкого увеличения числа дефектов решетки (в первую очередь линейных и поверхностных!), а также создании многофазных материалов.

Таким образом пластичность материалов напрямую зависит от дефектов кристаллической решётки.

Список используемой литературы

1. Аникина Валентина Ильинична, доцент, кандидат технических наук ОСНОВЫ КРИСТАЛЛОГРАФИИ И ДЕФЕКТЫ КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ

3. Власов С.Н. и др. Устройство, наладка и обслуживание металлорежущих станков и автоматических линий. М., 2008

4. Орлов А. Н., Введение в теорию дефектов в кристаллах, М., 1983;

5. Рыбин В. В., Большие пластические деформации и разрушение металлов, М., 1986.

6. Xоникомб Р., Пластическая деформация металлов, пер. с англ., М., 1972;

7. Xирт Дж., Лоте И., Теория дислокаций, [пер. с англ.], М., 1972;

8. Кочергин А.И. и др. Металлообрабатывающие станки, линии и инструменты. Минск, 2007

Подобные документы

Классификация дефектов кристаллической решетки металлов. Схема точечных дефектов в кристалле. Дислокация при кристаллизации или сдвиге. Расположение атомов в области винтовой дислокации. Поверхностные или двухмерные дефекты. Схема блочной структуры.

лекция [4,4 M], добавлен 08.08.2009

Точечные дефекты в кристаллической решетке реальных металлов: вакансии, дислоцированные атомы и примеси. Образование линейных дефектов (дислокаций). Роль винтовой дислокации в формировании растущего кристалла. Влияние плотности дислокаций на прочность.

презентация [205,4 K], добавлен 14.10.2013

Сплав, его компоненты, фазы, структурные составляющие, микроструктуры механической смеси. Растворы замещения и внедрения, искажение кристаллической решетки при образовании твердого раствора. Кристаллические решетки упорядоченных твердых растворов.

контрольная работа [850,7 K], добавлен 12.08.2009

Основные материалы, используемые в микроэлектронике, электронике и оптоэлектронике. Состав и структура материалов. Определение понятия кристаллической решетки. Сопоставление трех классов твердых тел с пространственным распределением электронов в них.

курсовая работа [479,0 K], добавлен 15.12.2015

Типы кристаллических решеток, кристаллическое строение. Элементарные ячейки кристаллических решеток. Дефекты в кристаллах, характеристика и значение. Кристаллизация и кривые кристаллизации метала при охлаждении. Физико-химические свойства кристаллов.

методичка [1,2 M], добавлен 06.12.2008

Направления и этапы исследований в сфере строения и свойств металлов, их отражение в трудах отечественных и зарубежных ученых разных эпох. Типы кристаллических решеток металлов, принципы их формирования. Основные физические и химические свойства сплавов.

презентация [1,3 M], добавлен 29.09.2013

Металловедение, типы межатомной связи. Дефекты кристаллической решетки. Виды линейных дислокаций. Маркировка чугунов и стали. Основы термической обработки, отпуск. Виды и принципы экологической сертификации. Сертификация продукции и производства.

шпаргалка [42,3 K], добавлен 22.06.2009

Гранаты как группа минералов определённого химического состава и с определённой структурой кристаллической решетки. Применение алюмоиттриевого граната, основные методы его синтеза. Особенности оптической керамики. Достоинства рентгенофазового анализа.

курсовая работа [2,3 M], добавлен 24.02.2015

Условия получения крупнозернистой структуры при самопроизвольно развивающейся кристаллизации. Диаграмма состояния системы свинец-олово. Линейные несовершенства кристаллического строения и их влияние на свойства металлов. Устранение остаточного аустенита.

контрольная работа [2,0 M], добавлен 11.01.2011

Основные характеристики кристаллической решетки. Скорость охлаждения при закалке и факторы влияющие на выбор скорости. Диаграмма состояния системы медь-серебро. Свойства сплавов в данной системе. Диаграмма состояния железо-углерод и ее описание.

курсовая работа [545,6 K], добавлен 13.11.2008

Источник