Дислокационная структура и прочность металлов

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

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…10 ¹⁶ 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…10 ¹⁶ м ^–2. В противном случае 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.