Кристаллические и аморфные тела



В процессе конденсации частицы вещества стремятся занять места в пространстве, соответствующие их минимуму потенциальной энергии. Сконденсированные тела, которые приобрели способность обладать упругими свойствами, получили название твердых тел. Твердые тела по их строению и свойствам разделяются на кристаллические и аморфные.

Для кристаллических тел характерными являются далеко распространенные строго направленные связи  с вполне определенными расстояниями и анизотропией (неоднородностью) физических, механических и других свойств материала. При нагреве до температуры плавления кристаллического тела требуется затрата дополнительной энергии, необходимой для разрушения кристаллической решетки, а рост температуры в момент достижения температуры плавления прекращается. При охлаждении же до этой температуры происходит обратный процесс - выделение тепла, и температура также не меняется в течение некоторого времени. К группе кристаллических тел относятся металлы, минералы и подобные им материалы.

У аморфных тел межатомные связи распространяются на небольшие расстояния, и взаимная ориентация сохраняется только между близлежащими частицами. Аморфные тела по своей структуре в известной степени  напоминают жидкость, отличаясь от последней лишь меньшим межатомным расстоянием и подвижностью атомов. Им свойственна изотропия (однородность) физических и других свойств в разных направлениях. Переход у подобных тел из твердого в жидкое состояние происходит монотонно (без скачков температур). Характерными представителями аморфных тел являются стекло, смолы, многие полимеры и т.д.

При одних и тех же температурах и давлениях аморфные тела обладают большим удельным объемом, большей внутренней энергией и большей энтропией по сравнению с кристаллическими телами. Благодаря этому аморфные тела можно рассматривать и как тела, находящиеся в метастабильном состоянии, которое с течением времени (возможно, и чрезвычайно длительного) должно самопроизвольно закристаллизироваться. Поэтому наибольший интерес с точки зрения строения и свойств материалов имеют кристаллические тела, хотя при фрикционных процессах большое влияние могут оказывать и аморфные тела.

 

Монокристаллы и поликристаллы.

Элементарная кристаллическая ячейка

В процессе конденсации атомы, ионы и молекулы, занимая относительно  друг друга в пространстве положение с минимумом потенциальной энергии, образуют единую кристаллическую решетку вещества, получившего название монокристалла. Если в кристаллизационном объеме одновременно зарождается большое количество кристаллов, то образовавшееся в таких условиях твердое тело (поликристалл)представляет собой конгломерат сросшихся между собой беспорядочно расположенных кристаллов неопределенной формы (кристаллитов) с размерами чаще всего от 1 до 10-3 см. В поликристалле кристаллиты отделены друг от друга межкристаллической прослойкой, в которой несколько нарушается порядок атомов (рис. 4.3). И если в каждом из кристаллитов наблюдается явно выраженная анизотропия его свойств, то поликристалл в целом обладает уже некоторой усредненной изотропией физических свойств. Наименьшим элементом кристалла, достаточно полно отражающим его свойства, является элементарная кристаллографическая ячейка (рис. 4.4, табл. 4.2). Наиболее распространенными ячейками являются: гранецентрированная кубическая (ГЦК), объемно-центрированная кубическая (ОЦК) и гексагональная плотноупакованная (ГПУ). Многократным повторением элементарных ячеек в трех направлениях можно получить монокристалл в целом. В таком кристалле механические и другие свойства во многом определяются межатомными расстояниями по различным направлениям.

Рис. 4.3. Схематическое изображение межкристаллических

прослоек в поликристалле

 

Так, если в кристалле (рис. 4.5) b>с>а, то и прочность на разрыв в нем через плоскость, проходящую перпендикулярно плоскости чертежа и ось ОВ, меньше, чем через плоскости, проходящие вдоль ОС и ОА. Эта разница у кристаллов может достигать как нескольких процентов, так и нескольких раз. Благодаря этому у многих кристаллов имеются явно выраженные слабые и сильные плоскости скольжения, по-разному реагирующие на воздействие внешних сил.

 

Рис. 4.4. Наиболее характерные и распространенные элементарные ячейки твердых тел: а - ОЦК; б - ГЦК; в - ГПУ

 

Таблица 4.2

Кристаллические решетки различных металлов

ОЦК Li, Na, К, V, Та, a-Cr, Mo, W, a-Fe
ГЦК Cu, Ag, Аu, Al, Th, Pb, j-Fe, a-Co, Ni, Ph, Pd, Jr, Pt
ГПУ Be, Mg, Zn ,Cd ,Tl ,Ti ,Zr ,He ,Ru ,Ds

 

 

Рис. 4.5. Анизотропия  свойств  кристаллических тел

 

 

4.4 Теоретическая и реальная прочность твердых тел.

Дефекты структуры

Использовав представления о структуре твердых тел и материале его частиц, можно рассчитать их действительную прочность. Расчеты для ряда реальных тел показывают, что их теоретическая прочность в 100...10000 раз отличается от прочности, реализуемой реальными телами. Причиной тому являются дефекты структуры реальных тел. Среди них наиболее распространенными являются: точечные дефекты, линейные дефекты, поверхностные неоднородности и объемные неоднородности материала.

Точечные дефекты. В процессе кристаллизации или в результате взаимодействия с внешними силами  внутренняя структура кристаллических тел может приобрести существенные изменения. Эти изменения  (рис. 4.6) могут проявиться в виде "дырки"(1) - случай, когда в одном из мест кристаллической решетки отсутствуют тот или иной атом или появляется дефект; "внедрения"(2) - случай, когда одна из частиц кристаллической решетки застревает в ее междуузле или дефекта "замещения"(3) - случай, когда необходимый вид частицы решетки случайно заполняется частицей совершенно иного сорта.

 Каждый из этих дефектов вносит дополнительные напряжения в кристаллическую решетку твердого тела и уменьшает его прочность.

Рис. 4.6. Точечные дефекты кристаллических тел

Линейные дефекты. В процессе кристаллизации образуются блоки кристаллической решетки, несколько сдвинутые по направлениям. Границы же блоков представляют собой области с нарушенными структурами, а, следовательно, и с характером взаимодействия между частицами, их составляющими. В тоже время, под действием внешних сил в структуре кристаллических тел могут произойти смещения частиц, приводящие  к нарушениям в строении кристаллических тел. Геометрические формы линейных дефектов очень сложные, однако предельные их случаи - краевая и винтовая формы - могут быть представлены в виде схем (рис. 4.7, 4.8).

Рис. 4.7. Схематическое изображение линейного дефекта

                    в виде винтовой дислокации

 

  Рис. 4.8. Схематическое изображение линейного дефекта

                         в виде сдвиговой дислокации

 

Линейные нарушения чередования атомных плоскостей в кристаллической решетке твердых тел получили название дислокации. В переводе с греческого языка это слово означает смещение. Смещение в кристаллических решетках приводит к возникновению дополнительных концентраций напряжений и, как следствие, к существенному изменению прочности твердых тел. На рис.4.9 показано, что с увеличение плотности дислокаций в материале r  модуль Юнга Е резко уменьшается и после перехода некоторого минимума несколько повышается за счет выхода дислокаций на границы зерен или поверхность, а также за счет их взаимного наложения и компенсации.

Рис. 4.9. Зависимость сопротивления деформации

от плотности дислокаций

 

Поверхностные (двухмерные) неоднородности представляют собой дефекты поверхности границ зерен и дефекты упаковки, возникающие как при зарождении кристаллов, так и в процессе их эксплуатации.

Объемные (трехмерные) неоднородности представляют собой аморфные области, поры, трещины, а также всевозможные включения.

4.5. Рельеф поверхности твердых тел

Поверхностям твердых тел всегда присущи отклонения от идеальной геометрической формы. Причиной тому являются дефекты поверхности, появляющиеся в процессе формирования самих твердых тел, в результате их взаимодействия с окружающей средой, в процессе обработки этих материалов на специальном оборудовании и при эксплуатации машин.

Качество поверхности деталей машин во многом влияет на многие свойства твердых тел таких, например, как сопротивление усталостному разрушению, износостойкость, коррозионную стойкость и ряд других свойств трущихся тел и машин в целом.

Макро- и микрогеометрия поверхности твердых тел формируется как в процессе изготовления, так и при эксплуатации узлов трения. В процессе изготовления деталей по ряду причин, чаще всего связанных с техническим состоянием оборудования, они приобретают форму поверхности, отличную от заданной по чертежу (рис. 4.10). Среди дефектов поверхности наиболее характерными являются микроотклонения(в виде выпуклостей, вогнутостей, конусности образующей деталей и т.п.), волнистость и шероховатость.

 

Рис. 4.10. Схема шероховатости твердых тел: 1 – форма по чертежу;

          2 – макроотклонения; 3 – волнистость; 4 – шероховатость

 

Волнистость представляет собой совокупность периодических, регулярно повторяющихся микровыступов и макровпадин, когда шаг, образуемой ими волны SВ , более чем в 40 раз превышает ее высоту НВ.

Под шероховатостью подразумевается совокупность неровностей с относительно малым шагом 2...800 мкм и высотой 0,03...400 мкм.

Шероховатость и волнистость твердых тел можно оценить, с помощью измерительного прибора профилограф-профилометр. Этот прибор с помощью специальной иглы (с радиусом закругления 2...10 мкм), перемещающейся по исследуемой поверхности, воспроизводит ее рельеф в увеличенном масштабе. Пример такой профилограммы представлен на рис 4.11.

Рис. 4.11. Профилограмма поверхности: 1 – линия выступов;

2 – средняя линия; 3 – линия впадин

 

Пользуясь профилограммой, можно определить среднее арифметическое отклонение профиля от средней линии

,

где yi - расстояние некоторой точки профиля от средней линии;

n - число точек профиля.

Для этого на профилограмме обычно берут базовую длину L, на которой находится пять наибольших максимумов и пять минимумов. При разделении базовой длины на n участков повышается точность расчетов.

Используя профилограмму поверхности, определяют также и среднее арифметическое отклонение неровностей по десяти точкам

,

где Нi - расстояние расчетных точек от средней линии.

Для большинства обрабатываемых твердых тел Ra меняется в интервале от 100 до 0,008 мкм, a Rz - от 1600 до 0,025 мкм. Несколько большую величину, чем Rz, имеет наибольшая высота профиля Rmax, определяющая расстояние между самой высокой точкой выступов и самой низкой точкой впадин.

Аналогичные характеристики шероховатости поверхности можно получить и для поверхностей деталей узлов трения.

Используя профилограмму поверхности твердого тела, можно построить кривуюопорной поверхности. Она характеризует степень возрастания площади сечения микровыступов поверхности твердого тела по мере перехода от линии (плоскости) выступов к линии (плоскости) впадин. Строится она посредством суммирования площади выступов  hR = SDli  на определенном удалении R от линии выступов (рис. 4.12).

 

Рис. 4.12. Профилограмма и опорная поверхность твердого тела

 

Достаточно часто при проведении расчетов сил трения и износа пользуются комплексной характеристикой шероховатости поверхности, имеющей вид

,

где  r - средний радиус кривизны вершин выступов; Rmax - расстояние между линиями выступов и впадин; B, v - параметры опорной кривой, характеризующей  распределение материала по высоте шероховатого слоя.

Для наиболее распространенных в машиностроении шероховатых поверхностей B=2, v=2. На таких поверхностях также имеются наношероховатости, обусловленные уже отдельными кристаллитами, из которых и формируется твердое тело (рис. 4.3 и 4.15).

                           4.6. Микродефекты поверхности.

           Внешняя и  внутренняя  поверхности твердого тела

Любая шероховатая поверхность твердого тела постоянно взаимодействует с внешней средой. Развивающиеся окислительные процессы способствуют образованию на поверхности твердого тела окисных пленок. С течением времени они увеличиваются по толщине. Ввиду неоднородности строения поверхности  окислительные процессы протекают на ее участках с разными скоростями и образуют пленки разной толщины.

Образующиеся под воздействием внешних факторов поверхностные и подповерхностные трещины имеют весьма разветвленную систему. Площадь внутренней поверхности трещин бывает очень значительной и часто в несколько раз превосходит площадь внешней поверхности твердого тела (рис. 4.13).

Рис. 4.13. Схема дефектов поверхности твердого тела

 

Опорная поверхность, а также представления о состоянии и свойствах материала поверхностного слоя, позволяют судить о напряженном состоянии материала в зоне контакта трущихся тел, во многом определяющем закономерности трения и изнашивания твердых тел.


Дата добавления: 2018-02-18; просмотров: 1270; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:






Мы поможем в написании ваших работ!