Тема 1. Кристаллическое строение металлов.  полиморфизм. Дефекты в кристаллах. Теоретическая и фактическая прочность. Влияние кристаллического строения на механические свойства металлов. Анизотропия.

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.

1. Охарактеризуйте атомно-кристаллическое строение металлов.
2. Какие типы элементарных ячеек кристаллических решеток, наиболее характерных для металлов?
3. Что называют базисом решетки?
4. Что называют координационным числом?
5. Что называют коэффициентом компактности?
6. Какое явление называют полиморфизмом?
7. .Какое практическое значение имеет явление полиморфизма?
8. Назовите дефекты кристаллического строения.
9. Какие дефекты называются точечными?
10. Какие дефекты называются линейными?
11. Какие дефекты называются поверхностными?

12. Что понимают под размером зерна?

1. Какие дефекты называются макродефекты объемного характера?
2. Каким образом происходит пластическая деформация в кристалле?

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?

1. Охарактеризуйте явление анизотропии свойств?
2. Что называют текстурой?

 

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.