Файл: Теория - ткм.doc

3.2. Линейные дефекты.

Линейные дефекты в двух измерениях имеют размеры сравнимые с межатомными расстояниями, а в 3-ем измерении простираются на расстоянии 100 и 1000 межатомных расстояний. К линейным дефектам относят: краевые, винтовые дислокации

Краевую дислокацию образуют край АА1 «лишний» атомной полуплоскости.

Если экстра-плоскость расположена в верхней части, то дислокация обозначается ┴, если в нижней, то ┬.

Дислокации являются подвижными, дислокация одного знака отталкиваются, а разных - притягиваются и при встрече могут аннигилировать .

Линия АА1 (краевой дислокации) может быть прямой, изогнутой или замкнутой в петлю.

Винтовую дислокацию можно определить как сдвиг первой части кристалла относительно другой, происходящей по некоторой плоскости скольжения (ПС).

ЛиниюL, лежащую в плоскости скольжения и отделяющую ту часть, где сдвиг произошел от той части, где не происходил, называют линией винтовой дислокации.

Кристалл как бы закручивается в нее как бы в спираль. Если закручивание по часовой стрелке, то дислокация правая, а если против часовой- то левая. Дислокация одного знака отталкивается, противоположного знака - притягивается. Вокруг любой дислокации кристаллическая решетка материала искажена. Меры искажения решетки или меры ее упругой энергии является - вектор Бюргерса . «Ь» Для получения такого вектора необходимо вокруг линии дислокации обойти контур, двигаясь при этом от узла к узлу решетки с равным количеством периодов в противоположных направлениях. В идеальном (без дефектном) кристалле контур был бы замкнутым, но в реальном кристалле, содержащем дислокацию, не хватает вектора Бюргерса, который и является вектором Бюргерса. Длина этого вектора является периоду решетки, а направление перпендикулярно линии дислокации (краевой дислокации) и параллельно линии дефекта, если дислокация винтовая. Совокупность дислокации характеризуется суммарным вектором Бюргерса. Линия любой дислокации никогда не обрывается в кристалле, она либо выходит на поверхность (Граница зерен, бионов и т.д.) кристалла, либо на крупной (объемные) дефекты, либо замыкается сама на себе.

Под плотностью дислокации понимают суммарную протяженность всех дислокаций, расположенных на единицы объема материала (обычно в см3).

ρ = Σ * L_i / V где L_i - длина отдельной дислокации, а V - объем материала.

В полупроводниковых кристаллах (силициум и германий) плотность равна 104 – 105см/см3 = см-2. В металле ρ = 106 – 108 см-2. Под воздействием пластической деформации плотность в металле нарастает и может достигать 10-12 см-2 . Дислокации играют важную роль в механизме пластической деформации материала, в частности металла своей пластичностью обязаны наличию в них большого числа подвижной дислокации.

3.3. Поверхностные и объемные дефекты.

Поверхностные дефекты в первом измерении имеют размеры сравнимые с межатомными расстояниями, а во вторых других измерениях простираются на расстояния сотни и тысячи межатомных расстояний.

К поверхностным дефектам относятся: границы зерен, фрагментов и блоков (представляют собой дислокационные стенки).

Границы зерен также являются местом скопления дислокации и примесных атомов, что наиболее дефектная часть кристалла, где порядок расположения атомов сильно нарушен. Поверхностные дефекты оказывают существенное влияние на физико-механические свойства материала. В частности они препятствуют прохождению электрического тока в металлах. По границам зерен наиболее быстро осуществляется диффузия, а также окисление и т.д.

Для механических свойств существенное значение имеет общая протяженность межзеренных границ. Чем меньше зерна, а значит больше протяженность границ, тело тверже, прочнее, пластичней, вязче металл.

К объемным дефектам относятся всевозможные поры, инородные включения, микротрещины и т.д., которые во всех трех измерениях имеют значительно большие размеры.

Все объемные дефекты оказывают значительное влияние на свойства материала, в частности снижают прочность материала.

Вывод: Свойство материала определяется их внутренней структурой и строением (исходя из пройденного)

Тема №4: Механические свойства материалов.

4.1. Классификация свойств и методы механических испытаний материала.

Свойства материалов подразделяются на химические, физические, технологические и механические.

1. Физические свойства – определяет определение материала в тепловых, гравитационных, электромагнитных и радиационных полях. К физическим свойствам относится теплоемкость, теплопроводность, плотность, электропроводность, магнитные характеристики, отражаемость, радиационная стойкость и т.д.

2. Химические свойства – отражает способность материала вступать в химические взаимодействия с другими веществами, в частности раздельно сопротивляться окислению или проникновению газов и других химически активных веществ.

3. Технологические свойства – характеризуют способность материалов подвергаться тому или иному виду обработки, в частности для металлов – это штампуемость, свариваемость, способность обрабатываться резанием, металлические характеристики и т.д.

4. Механические свойства – отражают способность материалов сопротивляться деформации и разрушению под различными видами нагрузок. Именно от них зависит надежность, долговечность конструкций, деталей, механизмов. К механическим свойствам относятся твердость, прочность, пластичность, вязкость материала и т.д.

Физические характеристики изучаются в рамках физики, химические – в рамках химии. Механические и технологические характеристики рассматривают «Материаловедение» и «Технология материалов».

Для оценки механических свойств металлов проводят специальные механические испытания, в которых нагрузки могут быть статическими, динамическими или циклическими.

Статические нагрузки подаются плавно и относительно долго выдерживаются.

К статическим испытаниям относят определение твердости материала, испытание на одноосное расстояние материала.

Твердость – это способность материалов сопротивляться деформации в поверхностных слоях при местном контактном воздействии.

Для определения твердости в материалах под нагрузкой вдавливают либо стальной закаленный шарик (Метод Бринелля) либо алмазную пирамидку (Метод Виккерса).

Твердость определяют по относительной нагрузки к площади полученного отпечатка.

В методе Раквелла твердость определяют по глубине проникновения шарика или алмазного конуса в материал (испытание на одноосное расстояние, в которых определяется прочность, вязкость, пластичность –рассмотрим далее).

В динамических испытаниях нагрузки, подаваемые на материал являются кратковременными, т.е. ударным. К испытаниям такого рода относятся испытание на ударный изгиб, в которых определяется ударная вязкость металла. Этот метод основан на разрушении стандартного образца с разрезом одним ударом копра (маятник, топор)

По разнице высот поднятия копра до и после разрушения определяют работу разрушения. Затем определяют ударную вязкость.

А = m*g*(H₁ – H₂)

KC_v = A_p / S₀

S₀ – площадь поперечного сечения в том месте, где был надрез.

V – форма надреза.

Чем больше величина КС (ударная вязкость), тем больше вязкость материала

Если испытания производятся при различных понижающих температурах, то появляется возможность определить порог хладноломкости материала. Эта такая температура, при которых вязкое разрушение материала сменяется хрупким, т.е. резко уменьшается величина ударной вязкости материала.

В циклических испытаниях нагрузки имеют продолжительный характер и могут изменяться по некоторому закону, чаще периодическому.

К циклическим испытаниям относят испытания на усталость и ползучесть материала.

Усталость – процесс постепенного накопления повреждений в материале под действием длительных переменных нагрузок.

Следствием усталости в металле является возникновение и развитие усталостных трещин, которые в итоге приводят к разрушению металлов.

В механических испытаниях могут изменяться не только характер изменяемых нагрузок, но параметры окружающей среды, в частности температура, давление, химическая активность среды.

4.2. Диаграмма растяжений.

Деформация – изменение размеров и формы образца под воздействием различного вида нагрузок. Деформация бывает упругой и пластической. Упругая деформация возникает при относительно небольших механических нагрузок и исчезает после снятия нагрузок. При более высоких механических напряжениях в образце наряду с упругой деформацией появляется пластическая или остаточная, которая сохраняется после снятия внешней нагрузки. Деформация материалов, вчастности металлов и сплавов изучают в процессе статистических испытаниях на одноосное растяжение. В них образец стандартной формы (пруток с утолщениями на концах для закрепления) закрепляют в зажимах разрывной машины и к ее концам прикладывается растягивающая сила F.

F S₀ F

ℓ₀

S₀ – начальная площадь поперечного сечения

ℓ₀ – начальная длина

В процессе испытания измерения, относительное отношение образца в %-х и напряжение в образце

[МПа]

В результате получают диаграмму растяжений или график зависимости напряжения от относительного удлинения.

Типичная диаграмма растяжения меди выглядит следующим образом

σ, МПа

σ_в С

σ F

σ_q2 А В Д

σ_т

0 G ε ε_max ε %

ε_ост. ε_упр.

На данной диаграмме выделяется четыре характерных участка: ОА , АВ, ВС, СД.

Участок ОА (намеренно увеличенный) является линейным, на нем наблюдается пропорциональность между напряжением и деформацией σ = Е * ε, Е – коэффициент пропорциональности. Данный участок соответствует упругой деформации образца, который исчезает после снятия нагрузки. В этом случае линия разгрузки образца совпадает с линией нагрузки, т.е. процесс обратимый. После полного снятия нагрузки (σ = 0) деформация исчезает (ε = 0). Е – модуль упругости. Он характеризует жесткость материала, который зависит от величины межатомных сил. Чем Е больше, тем круче участок ОА и больше жесткость материала. При напряжении σ_т пропорциональность между напряжением и относительным удлинением нарушается. Наряду с упругой деформацией появляется и пластическая составляющая. Напряжение σ_т называют теоретическим пределом текучести материалов. В некоторых очень пластичных металлов, в частности у меди, при напряжении наблюдается площадка текучести или участок (горизонтальный) АВ, где изменение размера образца и сопровождается видимым изменением напряжения, т.е. материал как бы течет. В данном случае предел текучести является реальным физически измеряемых. Для тех материал до, у которых нет площадки текучести вводят так называемый условный предел текучести – σ_0,2. Это такое напряжение, при котором появляется пластическая деформация и составляет величину 0,2 %. Если напряжение в образце превышает предел текучести (σ_т, F), то деформация образца имеет две составляющие σ > σ_т , то ε = ε_ост. + ε_упр. При этом разгрузка образца происходит не по линии нагрузки ОАВF, а по линии FG || ОА. При этом упругая составляющая деформация исчезает, а пластическая остается. В точке G наблюдается максимальная регистрационное напряжение σ_в, которое называют временным напряжением или пределом прочности материала. Чем больше σ_т и σ_в, тем прочнее материал.