Несовершенства кристаллического строения и их влияние на свойства металлов

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 2

Идеальная кристаллическая решетка представляет собой многократное повторение элементарных кристаллических ячеек. Для реального металла характерно наличие большого количества дефектов строения, нарушающих периодичность расположения атомов в кристаллической решетке.

Различают три типа дефектов кристаллического строения:

Точечные дефекты характеризуются малыми размерами (несколько атомных диаметров) во всех трех измерениях.


Вакансии – свободные места в узлах кристаллической решетки	Дислоцированные атомы – атомы, сместившиеся из узлов кристаллической решетки в межузельные промежутки	Примесные атомы – атомы других элементов, находящиеся как в узлах, так и в междоузлиях кристаллической решетки

Искажая кристаллическую решетку, способствуют некоторому упрочнению кристаллов и повышает их электросопротивление

2) Линейные дефекты характеризуются малыми размерами в двух измерениях, но имеют значительную протяженность в третьем измерении – дислокации.


Краевая дислокация (наличие экстраплоскости)	Винтовая дислокация (сдвиг атомных слоев по плоскости)

Установлено, что дислокации притягивают в свою зону атомы примесей, которые осаждаются в виде цепочки вдоль края экстраплоскости (атмосферы Коттрелла).

Общее количество дислокаций в кристалле характеризуют плотностью дислокаций. Это суммарная длина линий дислокаций в единице объёма [см/см³] или, что то же самое, число пересечений дислокациями единичной площадки [1/см²].

Кривая И.А. Одинга

Теоретическая прочность – определяется силами межатомного сцепления. Усы – нитевидные кристаллы железа 0,5-2 мкм ´ 100 мм без дефектов с прочностью s_В = 13 500 МПа, что близко к теоретической прочности. Плотность дислокаций в кристалле определяется как среднее число линий дислокаций, пересекающих внутри тела площадку в 1 м², или как суммарная длина дислокаций в 1 м³. При плотности дислокаций более 10¹² в металле образуются субмикроскопические трещины, вызывающие разрушение.

3) Поверхностные дефекты имеют малую толщину и значительные размеры в двух других измерениях. Обычно это места стыка двух ориентированных участков кристаллической решетки. Ими могут быть, например, границы зерен.

Зерно – это кристалл неправильной формы, выросший из одного зародыша. Соседние зерна по своему кристаллическому строению имеют неодинаковую ориентировку решеток.

Граница между зернами представляет собой узкую переходную зону шириной 5-10 атомных расстояний с нарушенным порядком расположения атомов. В граничной зоне кристаллическая решетка одного зерна переходит в решетку другого зерна. Неупорядоченное строение переходного слоя усугубляется скоплением в этой зоне дислокаций и повышенной концентрацией примесей.

Границы зерен препятствуют перемещению дислокаций и являются местом повышенной концентрации примесей, что оказывает существенное влияние на механические свойства металла. Измельчение зерна увеличивает пластичность и вязкость металла.

Помимо перечисленных дефектов в металле имеются макродефекты объемного характера: поры, газовые пузыри, неметаллические включения, микротрещины. Эти дефекты снижают прочность металла.

НАКЛЁП и РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ

ДЕФОРМАЦИЕЙ называется изменение размеров или формы тела под действием внешних сил, либо физико-механических процессов, протекающих в самом теле (перепад температур, фазовые превращения т.д.).

Деформация тела совершается в результате относительного смещения атомов из положений равновесия.

При упругой деформации сохраняется пропорциональная зависимость между деформирующими силами и смещениями атомов. После снятия внешних сил твердое тело восстанавливает свои исходные размеры и форму.

Если при прекращении действия внешних сил твердое не полностью восстанавливается, то такая деформация называется пластической (остаточной). В этом случае атомы не возвращаются в исходные позиции, а занимают новые положения устойчивого равновесия.

При деформировании происходит упрочнение (НАКЛЕП) и снижение пластичности металла за счет роста числа дефектов кристаллической решетки, искривления плоскостей скольжения, появления обломков кристаллитов в плоскостях скольжения, структурных превращений по плоскостям скольжения. Все это препятствует перемещению дислокаций, способствует их накапливанию и взаимодействию друг с другом. При этом происходит изменением формы зерен и образованием волокнистой структуры с преимущественной ориентировкой кристаллов (совпадающей с направлением «течения» металла, т. е. с направлением приложения нагрузки)

деформация

Состояние деформированного (наклепанного) металла является термодинамически неустойчивым, поэтому даже незначительный нагрев приводит к изменению структуры и свойств деформированного металла. В результате достигается уровень всех свойств металла, имевший место до деформации.

Нагрев деформированного металла до относительно невысоких температур, инициирует процесс ВОЗВРАТА, в результате которого изменяются тонкая структура и свойства деформированного металла без изменения его микроструктуры, вытянутая форма зерен сохраняется. В процессе возврата комплекс механических свойств, как правило, практически не изменяется.

При дальнейшем нагреве протекает процесс РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ – образование новых равноосных зерен

Схема изменения микроструктуры наклепанного металла при нагреве:

а – исходный наклепанный металл; б – начало первичной рекристаллизации;

в – завершение первичной рекристаллизации; г – рост зерен при собирательной рекристаллизации;

д – образование равновесной структуры при вторичной рекристаллизации

В зависимости от температуры нагрева различают первичную, вторичную и собирательную рекристаллизации.

Первичной рекристаллизациейназывается процесс зарождения и роста новых равноосных зерен (протекает в интервале от т.1 до т.2 – см. рис. 2). При первичной рекристаллизации старые зерна наклепанного металла не восстанавливаются, а образуются новые зерна округлой формы вместо ориентированной структуры деформации (рис. 3, а, б, в).В результате рекристаллизации практически полностью снимается наклеп, свойства рекристаллизованного металла становятся сопоставимыми со свойствами отожженного металла.

Наименьшую температуру рекристаллизации Т_рекр, при которой начинается заметное изменение структуры и разупрочнение металла, называют температурным порогом рекристаллизации. Температура рекристаллизации материала Т_рекр зависит от его температуры плавления Т_пл:

Т_рекр = a×Т_пл,

где a-коэффициент, зависящий от степени чистоты металла.

для химически чистых металлов a=0,1-0,2

для технически чистых металлов a=0,3-0,4;

для сплавов a=0,5-0,6

Т_пл и Т_рекр – температуры плавления и рекристаллизации, выраженные в градусах Кельвина.

После завершения первичной рекристаллизации в процессе последующего нагрева происходит рост одних рекристаллизованных зерен за счет других, т. е. имеет место собирательная рекристаллизация(рис. 3, г).Рост зерен происходит в результате перехода атомов одного зерна к другому (соседнему) через границу раздела. Возникшая разнозернистость структуры отрицательно сказывается на всех механических свойствах металла.

Вторичная рекристаллизация сопровождается быстрым ростом новых зерен, имеющих предпочтительные условия для роста, в результате чего образуются аномально большие зерна. Вторичная рекристаллизация, вызывающая образование крупного зерна и разнозернистости, способствует снижению механических свойств металлов.

Поэтому на практике надо избегать условий протекания собирательной и вторичной рекристаллизации.

Для восстановления пластичности металла необходимо произвести нагрев (рекристаллизационный отжиг) на температуру немного превышающую порог рекристаллизации Т_рекр, чтобы не произошел процесс собирательной и вторичной рекристаллизации, при которых происходит ухудшение свойств.

Сравнивая температуры деформации и рекристаллизации, можно говорить о горячей или холодной деформации.

Если температура деформации ниже температуры рекристаллизации, то деформация считается холодной. При этом протекает только процесс упрочнения (наклепа). Если между операциями деформирования не производить рекристаллизационного отжига, то возможно образование трещин и разрушение материала.

Если температура деформации выше температуры рекристаллизации, то деформацию называют горячей. В этом случае одновремекнно протекают два процесса: наклеп и рекристаллизация.

Например, деформация свинца при комнатной температуре является горячей деформацией: Т_рекр = 0,4 (327 + 273) = 240 К, тогда Т_рекр = (240 – 273) = -33 °С.

Для железа деформирование при t = 300…400 °C является холодной обработкой давлением, так как температура начала рекристаллизации железа равна 450 °С.

Для алюминия порог рекристаллизации составляет

Т_рекр=α× t_пл»327 (53 °С)

где α=0,3-0,4 – коэффициент для технически чистого металла,

t_пл=(t_пл+273)=933

t_пл= 660 °С – температура плавления алюминия

Дата добавления: 2018-04-05; просмотров: 2490; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 12

Мы поможем в написании ваших работ!