Глава 1. Кристаллическое строение металлов (стр. 1 )

Глава 1. КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ

1.1.  ФАЗА И СТРУКТУРА.

Фаза – называют однородную составную часть системы, имеющую определённые состав, кристаллическое строение и свойства.

Структура – под этим определением понимают форму, размеры и характер взаимного расположения соответствующих фаз в металлах или сплавах.

1.2.  АТОМНО-КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ.

Металлы обладают следующими свойствами:

·  Высокой тепло и электропроводностью.

·  С ростом температуры электросопротивление металлов растёт.

·  Высокой термоэлектронной эмиссией, то есть металлы при нагреве легко испускают электроны.

·  Обладают наличием металлического блеска.

·  Высокой пластичностью – их можно ковать.

У металлов чаще всего встречаются следующие кристаллические решётки: кубическая, гексоганальная, тетрогональная.

Кубическая решетка бывает объемно центрированная и гранецентрированная.

Объемно центрированная кубическая решетка (ОЦК). Железо (до 910о), а также Cr, Mo, W, Nb и др. металлы.

Период – это расстояние между двумя параллельными атомными плоскостями в элементарной ячейке. Период характеризует объём этой ячейки.

Гранецентрированная кубическая решетка (ГЦК). Железо (выше 910о), а также Al, Cu, Ni и др. металлы. Период – это ребро куба.

Гексагональная решетка имеет два периода решетки: α ≠ c. Кадмий, цинк, графит и магний.

Тетрагональная решетка α ≠ c. Закалённая сталь, Mn, In. Она может быть объёмно центрированной или гранецентрированной.

1.3.  СТРОЕНИЕ РЕАЛЬНЫХ КРИСТАЛЛОВ.

Зернистое строение:

Поликристалл. При кристаллизации металлов образуется большое количество зародышей твердой фазы, и растут они за счет жидкого металла. Затем при росте они сталкиваются друг с другом и их рост прекращается, так как жидкости между ними уже нет. При этом каждый зародыш образует свое зерно, и в результате в металле будут зерна и границы зерен, то есть металл имеет зернистое строение

Монокристалл. Весь кристалл состоит из одного зерна (полупроводники, солнечные батареи и др.).

1.4.  ПОЛИМОРФИЗМ.

Полиморфизм – это свойство металла иметь разные кристаллические решетки (полиморфные модификации) при разных температурах. Полиморфизм присущ многим металлам, например, Feα имеет ОЦК-решетку, Feγ – ГЦК, Tiα – гексагональную, Tiβ – ОЦК и т. д. Температура полиморфного превращения чистых металлов постоянна: Feα↔Feγ – 910 оС; Tiα↔Tiβ – 882о С. Полиморфные модификации имеют разные свойства.

1.5.  ДЕФЕКТЫ КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ.

Дефекты - это несовершенства кристаллического строения.

Точечные дефекты, сопоставимы с размерами атомов:

·  вакансии – отсутствующие атомы в узлах кристаллической решетки;

·  межузельные атомы – собственные атомы между узлами;

·  атомы внедрения и замещения – примесные атомы

Линейные дефекты – дислокации (рис. 3):

·  краевая дислокация – граница неполной атомной плоскости, перпендикулярная вектору сдвига в кристаллической решетке;

·  винтовая дислокация – линия, параллельная вектору сдвига, вокруг которой атомные плоскости образуют винтовую поверхность.

Плотность дислокаций r, см-2 – суммарная протяженность дислокаций в 1 см3 кристалла.

Поверхностные дефекты. К ним относятся:

·  границы зерен – поверхности раздела между отдельными зернами в поликристалле;

·  дефекты упаковки – нарушения чередования атомных плоскостей.

Объемные дефекты: поры, трещины, частицы вторичных фаз, и т. д.

Дефекты искажают кристаллическую решетку и влияют на свойства металлов (рис 4). Увеличение плотности дислокаций в технических металлах (участок 4) приводит к повышению прочности металлов. Высокую прочность имеют кристаллы с бездефектной структурой - «усы» (участок 2).

1.6.  ПРОЦЕСС КРИССТАЛЛИЗАЦИИ

Любое вещество может находиться в 4 агрегатных состояниях. Переход из одного агрегатного состояния в другое называется фазовым превращением. Фазовые превращения для чистых кристаллических тел происходят при Т=const.

Кристаллизацией называется процесс образования кристаллов (образование кристаллической решетки) из жидкой или газообразной фаз. Форма, величина, а также направление кристаллов влияет на все свойства металлов и сплавов.

СТЕПЕНЬ ПЕРЕОХЛАЖДЕНИЯ измеряется в градусах Цельсия и зависит от скорости охлаждения (чем больше скорость охлаждения, тем больше степень переохлаждения), природы и чистоты расплава (чем чище расплав, тем меньше степень переохлаждения. Начичие нерастворённых частичек ускоряет процесс кристаллизации, увеличивает степень переохлаждения.).

Рис.1.1. Кривые изменения числа центров кристаллизации (Ч. Ц.) и скорости роста кристаллов (С. Р.) от степени переохлаждения.

На практике измельчение зерна в сплавах достигается путём модифицирования, путём введения в расплав дисперсных частичек, являющимися дополнительными центрами кристаллизации.

Глава 2 МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

2.1. СТАТИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ

При статических испытаниях усилие прикладывается к образцу медленно. К ним относятся испытания на растяжение, сжатие, изгиб, кручение и определение твердости.

2.1.1.Испытания на растяжение.

На рис. 2.1 показана кривая растяжения для пластических металлов. При небольших нагрузках в металле развивается упругая деформация - это такая деформация, при которой после снятия нагрузки образец принимает первоначальные размеры и форму. Если не принимает, то это - пластическая деформация. Начальный участок диаграммы - прямая, в данном случае действует закон пропорциональности. Напряжения здесь вызывают упругую деформацию, подчиняющуюся закону Гука:

Чем больше α, тем прочнее металл. Модуль упругости (Юнга) Е зависит только от химического состава, а от структуры и термообработки не зависит.

Рис.2.1. Диаграмма растяжения для пластичных металлов.

Прочностные характеристики

предел упругости. Сопротивление металла упругой деформации характеризуется пределом упругости.

На практике за величину Ре принимают такое усилие, при котором остаточная деформация составляет величину, предусмотренную ГОСТом (0,01...0,05 %). При больших напряжениях в металле идет пластическая деформация (остаточную деформацию см. на рис. 2.1.);

предел текучести. Максимальное напряжение, при котором образец удлиняется без увеличения нагрузки.

предел прочности, или временное сопротивление разрушению металла - это максимальное напряжение, которое выдерживает образец до разрушения.

Пластические характеристики:

· относительное удлинение

· относительное сужение

Кривая растяжения для малопластичных материалов, например для чугуна, представлена на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Для малопластичных материалов (ЧУГУН)

Площадки текучести нет, поэтому здесь принимают условный предел текучести, при котором остаточная деформация равна 0,2 %, когда нет заклинивания и заедания вращающихся деталей.

Поэтому σ0.2 это расчетная характеристика для автомобиля или любой другой конструкции.

Величина Р0.2 находится графическим методом по величине остаточной деформации.

2.2. ДИНАМИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ

2.2.1. Испытание на удар, Ударная вязкость и порог хладноломкости

Определение ударной вязкости производится на маятниковом копре рис. 2.3.

Рис. 2.3. Схема испытания на удар, а) маятниковый копёр, б) образец, в) положение образца при ударе.

Под ударной вязкостью понимается работа, затраченная на разрушение образца от динамического изгиба, отнесённая к площади поперечного сечения образца в месте надреза.

Рис. 2.4. Схема хрупкого и вязкого разрушения металла в зависимости от температуры испытания. tи и tн – верхняя и нижняя границы критического температурного интервала хрупкости; S – сопротивление отрыву; σт – предел текучести.

Понижение температуры практически не изменяет сопротивление отрыву S (разрушающего напряжения), но повышает сопротивление пластической деформации σт (предел текучести). Поэтому металлы, вязкие при сравнительно высоких температурах, могут при низких температурах разрушаться хрупко. В указанных условиях сопротивление отрыву достигается при напряжениях, меньших, чем предел текучести. Точка tn. пересечения кривых S и σт, соответствующая температуре перехода металла от вязкого разрушения к хрупкому, получила название критической температуры хрупкости или порога хладноломкости (tn.). Чем выше скорость деформации, тем больше склонность металла к хрупкому разрушению. Все концентраторы напряжений способствуют хрупкому разрушению.

2.2.2. Циклические испытания металлов. Кривая усталости. Предел выносливости.