Дислокационная структура и прочность металлов

<1 234 5 6 7 >

Металлы и сплавы, полученные в обычных условиях, состоят из большого количества кристаллов, то есть, имеют поликристаллическое строение. Эти кристаллы называются зернами. Они имеют неправильную форму и различно ориентированы в пространстве. Каждое зерно имеет свою ориентировку кристаллической решетки, отличную от ориентировки соседних зерен, вследствие чего свойства реальных металлов усредняются, и явления анизотропии не наблюдается

Обнаруживается, что фактическая прочность металлов на 2 – 3 порядка ниже их теоретической прочности, т. к. эта прочность рассчитана для бездефектного металла. В кристаллической решетке реальных металлов имеются различные дефекты, которые нарушают связи между атомами и оказывают влияние на свойства металлов, в том числе и на прочность: существуют концентраторы напряжений, металлургические дефекты и дефекты кристаллической решетки, важнейшими из которых являются дислокации.

Дефекты приводят к тому, что при нагружении металлов межатомные силы действуют только на участке упругой деформации, а затем происходит пластическая, чей механизм отличен от упругой. Разрушение наступает раньше и продолжается более короткое время.

В результате техническая прочность металлов в 1000 раз меньше теоретической.

Понятие о дефектах кристаллической решетки

Различают следующие дефекты строения металлов:

точечные – малые во всех трех измерениях;
линейные – малые в двух измерениях и протяженные в третьем;
поверхностные – малые в одном измерении.

1. Точечные дефекты

Одним из распространенных несовершенств кристаллического строения является наличие точечных дефектов: вакансий, внедрение и примесное внедрение. (рис. 2.1.)

а) правильный кристалл б) вакансия в)примесное замещение г) примесное внедрение

Рис.2.1. Точечные дефекты

а) Вакансия – отсутствие атомов в узлах кристаллической решетки, «дырки», которые образовались в результате различных причин. Образуется при переходе атомов с поверхности в окружающую среду или из узлов решетки на поверхность (границы зерен, пустоты, трещины и т. д. ), Концентрация вакансий в значительной степени определяется температурой тела. Скопление многих вакансий может привести к образованию пор и пустот.

б) Внедрение – это атом, вышедший из узла решетки и занявший место в междоузлие. Концентрация дислоцированных атомов значительно меньше, чем вакансий, так как для их образования требуются существенные затраты энергии. При этом на месте переместившегося атома образуется вакансия.

в) Замещение – примесный атом, занявший место в узле решетки вместо основного;

г) Примесное внедрение – примесные атомы всегда присутствуют в металле, так как практически невозможно выплавить химически чистый металл. Они могут иметь размеры больше или меньше размеров основных атомов и располагаются в узлах решетки или междоузлиях

Точечные дефекты вызывают незначительные искажения решетки, что может привести к изменению свойств тела (электропроводность, магнитные свойства), их наличие способствует процессам диффузии и протеканию фазовых превращений в твердом состоянии. При перемещении по материалу дефекты могут взаимодействовать.

2. Линейные дефекты

Очень важные с точки зрения прочностных свойств металлов. Происходят при смещении кристаллографических плоскостей в процессе технологического формирования зёрен.

Основными линейными дефектами являются дислокации.

Дислокация – это дефекты кристаллического строения, представляющие собой линии, вдоль и вблизи которых нарушено характерное для кристалла правильное расположение атомных плоскостей.

Рассмотрим основные виды дислокаций – краевые и винтовые.

Краевая дислокация представляет собой линию, вдоль которой обрывается внутри кристалла край “лишней“ полуплоскости (рис. 2.2) Неполная плоскость называется экстраплоскостью.

Рис. 2.2. Краевая дислокация и механизм ее образования

Наибольшие искажения в расположении атомов в кристалле наблюдаются вблизи нижнего края экстраплоскости. Вправо и влево от края экстраплоскости эти искажения малы (несколько периодов решетки), а вдоль края экстраплоскости искажения проходят через весь кристалл и могут быть очень велики (тысячи периодов решетки) (рис. 2.3).

Если экстраплоскость находится в верхней части кристалла, то краевая дислокация – положительная ( ), если в нижней, то – отрицательная ( ).

Рис. 2.3. Краевая дислокация

Винтовая дислокация получена при помощи частичного сдвига по плоскости АВСD вокруг линии ВС (рис. 2.4) На поверхности кристалла образуется ступенька, проходящая от точки В до края кристалла. Такой частичный сдвиг нарушает параллельность атомных слоев, кристалл превращается в одну атомную плоскость, закрученную по винту вокруг линии ВС, которая представляет границу, отделяющую часть плоскости скольжения, где сдвиг уже произошел, от части, где сдвиг не начинался. В результате сдвига образуется ступенька, которая может нарушать правильный рост кристалла при застывании металла.

В процессе кристаллизации атомы вещества, выпадающие из пара или раствора, легко присоединяются к ступеньке, что приводит к спиральному механизму роста кристалла.

Линии дислокаций не могут обрываться внутри кристалла, они должны либо быть замкнутыми, образуя петлю, либо разветвляться на несколько дислокаций, либо выходить на поверхность кристалла.

Рис. 2.4. Механизм образования винтовой дислокации

3. Поверхностные дефекты (краевая дислокация)

Поверхностные дефекты – границы зерен, фрагментов и блоков (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Разориентация зерен и блоков в металле

Иногда дефекты бывают поверхностными, например, разделение на блоки с разориентированными углами, из которых состоят зерна металлов.

Дислокации образуются при образовании кристаллов из расплава или газообразной фазы, при срастании блоков с малыми углами разориентировки. При перемещении вакансий внутри кристалла, они концентрируются, образуя полости в виде дисков с образованием по краю диска краевой дислокации. Образуются дислокации при деформации, в процессе кристаллизации, при термической обработке.

Размеры зерен составляют до 1000 мкм. На границе кристаллических зерен атомы расположены менее правильно, чем в объеме зерна. Ширина таких зон 5=10 атомных единиц. На границах больше дислокаций и вакансий.На границах зерен повышена концентрация примесей, которые понижают поверхностную энергию. Однако и внутри зерна никогда не наблюдается идеального строения кристаллической решетки. Процесс деления зерен на фрагменты называется фрагментацией или полигонизацией.

В свою очередь каждый фрагмент состоит из блоков, размерами менее 10 мкм, разориентированных на угол менее одного градуса. Такую структуру называют блочной или мозаичной.

Прочность металлов

Мелкозернистая структура металла более прочна, т. к. чем мельче зерно, тем больше площадь его границ и тем больше сопротивление пластической деформации.

Размерами зерен можно управлять путем изменения условий кристаллизации или применяя термическую обработку.

Оптимальными условиями кристаллизации для получения мелкозернистой структуры металла являются: максимальное число центров кристаллизации и малая скорость роста кристаллов.

Размер зерен при кристаллизации зависит от числа нерастворимых примесей, которые играют роль готовых центров кристаллизации – оксиды, нитриды, сульфиды.

Чем больше центров, тем мельче зерна закристаллизовавшегося металла.

Стенки изложниц имеют неровности, шероховатости, которые увеличивают скорость кристаллизации.

Мелкозернистую структуру можно получить в результате модифицирования, когда в жидкие металлы добавляются посторонние вещества – модификаторы,

По механизму воздействия модификаторов различают:

1. Вещества не растворяющиеся в жидком металле – выступают в качестве дополнительных центров кристаллизации.

2. Поверхностно - активные вещества, которые растворяются в металле, и, осаждаясь на поверхности растущих кристаллов, препятствуют их росту.

На прочность металлов в сильной степени влияет наличие и вид дислокаций, а также характер расположения их относительно друг друга. Установлено, что наиболее прочными являются монокристаллы с бездефектной структурой. Для таких материалов теоретическая и практическая прочность одинаковы. Но в жизни редко встречаются монокристаллы. Использование свойств монокристаллических структур заключается в ведение в материал упрочняющих элементов в виде усов или викерсов, которые являются монокристаллами и играют роль арматуры для вещества. С другой стороны, при увеличении плотности дислокаций тоже происходит упрочнение структуры материала, т.к. они начинают мешать друг другу при движении. Таким образом, факторы, затрудняющие передвижение дислокаций также приводят к упрочнению материала.

Дислокационная структура материала характеризуется плотностью дислокаций.

Плотность дислокаций в кристалле определяется как среднее число линий дислокаций, пересекающих внутри тела площадку площадью 1 м², или как суммарная длина линий дислокаций в объеме 1 м³

(см^-2; м^-2)

Плотность дислокаций изменяется в широких пределах и зависит от состояния материала. После тщательного отжига плотность дислокаций составляет 10⁵…10⁷ м^-2, в кристаллах с сильно деформированной кристаллической решеткой плотность дислокаций достигает 10¹⁵…10¹⁶ м^–2.

Плотность дислокации в значительной мере определяет пластичность и прочность материала (рис. 2.5)

Минимальная прочность определяется критической плотностью дислокаций

Если плотность меньше значения а, то сопротивление деформированию резко возрастает, а прочность приближается к теоретической. Повышение прочности достигается созданием металла с бездефектной структурой, а также повышением плотности дислокаций, затрудняющим их движение. В настоящее время созданы кристаллы без дефектов – нитевидные кристаллы длиной до 2 мм,

Рис. 2.5. Влияние плотности дислокаций на прочность

толщиной 0,5…20 мкм - “усы“ с прочностью, близкой к теоретической: для железа = 13000 МПа, для меди =30000 МПа. При упрочнении металлов увеличением плотности дислокаций, она не должна превышать значений 10¹⁵…10¹⁶ м^–2. В противномслучае образуются трещины.

Дислокации влияют не только на прочность и пластичность, но и на другие свойства кристаллов. С увеличением плотности дислокаций изменяются оптические свойства, повышается электросопротивление металла. Дислокации увеличивают среднюю скорость диффузии в кристалле, ускоряют старение и другие процессы, уменьшают химическую стойкость, поэтому в результате обработки поверхности кристалла специальными веществами в местах выхода дислокаций образуются ямки.

СПОСОБЫ УПРОЧНЕНИЯ МЕТАЛЛОВ

1. Изменение свойств дислокации – на свойства влияет плотность дислокации.

Широко применяются при изготовлении композиционных сплавов в качестве упрочнителей. Вследствие роста плотности дислокации начинают передвигаться по пересекающейся плоскости другой системы спонтанно и мешают движению друг друга.

2. Регулирование характера взаимного расположения дислокаций

Полигонизация – процесс деления зерен на части: фрагменты, полигоны в результате скольжения и переползания дислокаций.

Упорядоченные дислокационные стенки в этом случае лучше т. к. происходит удержание от скольжения в плоскостях, где располагаются дислокации.

Рис. 2.3. Регулирование расположения дислокаций: а – хаотическое расположение краевых дислокаций в деформированном металле; б – дислокационные стенки после полигонизации.

3. Взаимодействие между атомами внедрения и дислокациями (cталь – С и N) – препятствует передвижению и прочности.

4. Создание дефектов упаковки кристаллической решетки.

- вычет внедрение

В результате образуется избыточная энергия, которая и упрочняет материал.

5. Включение стопоров

Стопорами называются мелкие включения твёрдых химических соединений – карбидов, нитритов, интерметаллидов. Наличие стопров напоминает принцип посыпания льда песком.

При расстоянии между ними, меньше, чем дислокации, стопоры препятствуют их свободному движению. Таким образом сплав упрочняется. Чем стопоры мельче, тем упрочнение выше.

Если в процессе термообработки перегреть металл, то размер зерен увеличивается, сплав разупрочняется. Упрочнением управляют, подбирая химический состав стопоров и режим термической обработки.

после прорыва

прорыв

Наиболее сильно снижается прочность при наличии концентраторов напряжения – трещин, несплошности, включения с острыми концами и резкие переходы в детали от одного сечения к другому.

Металлургическими дефектами являются неметаллические включения, FeS, SiO2, Al2O3, раковины, поры, крупнозернистость.

Наклёп металлов

Известно, что после ковки холодного металла возрастает его прочность и твёрдость. В то же время он становится хрупким. Это явление получило название “наклеп” – это и процесс и результат.

Происходит это с ростом плотности дислокации, но с ростом плотности дислокации r уменьшается запас пластичности, возникают зародыши трещин, т. е. наступает начальная стадия разрушения.

Наклепанные металлы прочнее, но более хрупкие. При наклепе снижается, теплопроводность и электрическая проводимость. Обычно этот способ используется для поверхностного упрочнения деталей, так их подвергают холодной обработке давлением твердыми роликами для понижения износа и предотвращения усталостного разрушения.

Из всего вышеизложенного можно сделать следующие выводы:

Чтобы увеличить прочность металла, необходимо либо уменьшить число дефектов за счет получения монокристалла, либо увеличить число дефектов, ограничивая их подвижность.

Известны следующие способы решения этих задач:

1. Легирование – введение специальных примесей, которые будут взаимодействовать с дислокациями и затруднят их продвижение.

2. Закалка, то есть нагрев выше температуры фазового превращения, выдержка и контролируемое быстрое охлаждение, которое приводит к росту дефектов, уменьшению размеров зерен, и, следовательно, к росту границ зерен, которые непроходимы для дислокаций.

3. Наклеп.

<1 234 5 6 7 >

Дата добавления: 2019-12-09; просмотров: 1578;