ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 26.06.2020
Просмотров: 827
Скачиваний: 4
Кристаллическое строение металлов
Лекция
План:
1. Характеристика кристаллических решеток
2. Деформация монокристаллов
3. Закон сдвигающих напряжений
Характер пластической деформации металлов тесно связан с их кристаллическим строением. За исключением редких случаев, металлы состоят из множества зерен кристаллического строения. От кристаллов, имеющих правильную геометрическую форму (например, кубическую), зерна отличаются лишь отсутствием прямых ребер и плоских граней, поэтому их часто называют кристаллитами. Все остальные свойства кристаллов и кристаллитов идентичны.
Рис. Пространственная
кристаллическая решетка
-Fe, Cr,
W, Mo
Zn, Mn.
Co, Ti
-Fe, Cu, Ni
Pb, Al, Au
Элементарные
кристаллические решетки металлов:
а – гранецентрированный
куб, б – объемноцентрированный куб,
в – гексагональная
решетка
В гранецентрированном кубе атомы располагаются в каждой вершине куба, кроме того, посредине каждой грани также расположено по атому. Решетку в форме гранецентрированного куба имеют гамма-железо, медь, никель, свинец, алюминий, бэта-кобальт, золото, серебро. Все они отличаются высокой пластичностью. Объемноцентрированный куб имеет в каждой вершине по атому и один атом в центре объема куб.а. Решетка такого типа характерна для менее пластичных — металлов — альфа-железо, хром, вольфрам, молибден, тантал, альфа-кобальт. Гексагональная решетка имеет вид шестигранной призмы, в каждой вершине которой расположено по атому, кроме того, по одному атому расположено в центре шестиугольных граней и три атома внутри объема призмы. Гексагональную решетку имеют металлы: цинк, магний, кадмий, бериллий, титан, кобальт.
Характерной особенностью кристаллических веществ является анизотропия — различие свойств в разных направлениях. Так как свойства твердых веществ зависят от расстояний между атомами, а расстояния эти в кристаллах по разным направлениям различны, то и свойства кристаллов, измеренные в разных направлениях, различны.
Через какой-либо атом пространственной решетки можно провести бесчисленное количество плоскостей, как угодно ориентированных в пространстве. В зависимости от направления плоскости на нее попадает большее или меньшее количество атомов. Можно выбрать плоскости, на которые попадает наибольшее количество атомов. По таким плоскостям легче всего осуществляется сдвиг одной части кристалла относительно другой, поэтому они называются плоскостями сдвига, или плоскостями трансляций. Направления сдвига совпадают с линиями на плоскости сдвига, по которым расстояния между атомами кристаллической решетки минимальны.
Наличие плоскостей и направлений сдвига представляет, большой интерес, так как пластическая деформация кристаллических тел происходит в основном за счет сдвигов. В кристаллах обычно имеется несколько систем равноценных плоскостей сдвига. Количество их зависит от типа элементарной ячейки. В гранецентрированном кубе можно провести 4 равноценные плоскости сдвига, в объемноцентрированном 6ив гексагональной решетке 1.
Деформация монокристаллов осуществляется в основном путем скольжения и двойникования. При скольжении отдельные части кристаллов сдвигаются одна относительно другой по взаимно параллельным плоскостям. Сдвиги как бы разделяют монокристалл на ряд отдельных кристалликов. Скольжение начинается тогда, когда сдвигающие напряжения в плоскостях сдвига достигнут определенной величины, характерной для данного металла, при данной скорости и температуре деформации, не, зависящей от схемы приложения сил. На этом положении, известном как закон сдвигающих напряжений, основано большинство методов расчета усилий при пластической деформации. По мере развития деформации необходимое для деформации усилие увеличивается, угол Ө между нормалью к плоскости сдвига и направлением деформирующей силы возрастает при растяжении и уменьшается при сжатии, а угол φ между направлением сдвига и направлением деформирующей силы увеличивается при сжатии и уменьшается при растяжении. Таким образом, кристалл приобретает предпочтительную ориентировку по отношению к направлению деформирующей силы.
К основным видам дислокаций относятся краевая и винтовая, которые можно представить как результат неполного сдвига одной части кристалла относительно другой. На рис. а показан правильный кристалл с кубическими элементарными ячейками.
Рис. Схема кристаллической решетки:
а – без дислокаций, б – с краевой дислокацией, в – с винтовой дислокацией, г – при сочетании краевой и винтовой дислокации
П
Рис. Схема
деформации кристалла двойникованием
Закономерности деформации монокристаллов позволяют объяснить многие явления, наблюдаемые при деформации реальных металлов, такие как образование анизотропии, упрочнение, измельчение зерна и др.
Деформация поликристаллических веществ. Влияние ОМД на структуру и свойства металла
Лекция
План:
1. Деформация поликристаллических веществ, наклеп и рекристаллизация
2. Влияние обработки давлением на структуру и свойства металла
Реальные металлы в литом или отожженном состоянии представляют поликристаллы, состоящие из большого числа связанных между собой беспорядочно ориентированных зерен. Благодаря хаотичности расположения зерен поликристалл не проявляет анизотропии свойств, характерной для каждого зерна в отдельности. Такие вещества называют квазийзотропными (с кажущейся изотропностью). Анизотропия, свойств поликристаллов находится в скрытом состоянии и может проявиться при упорядочении, ориентировки составляющих его кристаллитов. Располагающийся по границам зерен слой металла толщиной 1—2 мкм обогащен примесями. На границах зерен, скопляются дефекты кристаллической решетки, поэтому механические и физические свойства межкристаллитных прослоек и самих зерен существенно отличаются.
В зависимости от температуры, скорости деформации и структурного состояния поликристалла более прочным может оказаться или зерно, или межкристаллитная прослойка, поэтому при разрушении поликристалла отделение одной части от другой может произойти или по границам зерен — межкристаллитное разрушение, или по сечению зерен — внутрикристаллитное разрушение.
Решающую роль в пластической деформации поликристалла выполняют также сдвигающие напряжения, возникающие от действия внешних сил.
В
процессе пластической деформации зерна
вытягиваются
в направлении общего удлинения
поликристалла, образуя
волокнистую структуру Каждое зерно
приобретает
предпочтительную ориентировку по
отношению
к направлению
действующей силы.
Появляющаяся таким образом общая кристаллографическая направленность всех зерен, приводящая к появлению анизотропности в поликристалле, называется текстурой.
Глубокие структурные изменения приводят к изменению механических и физических свойств. Деформированный металл становится твердым и хрупким, снижается его электропроводность, повышается растворимость в кислотах, склонность к коррозии, меняются и другие свойства. Комплекс изменений структуры и свойств металла в процессе пластической деформаций называют наклёпом или упрочнением.
Последствия наклепа устойчивы лишь при сравнительно низких температурах. При нагреве выше 0,2—0,3 температуры плавления в градусах Кельвина происходит ослабление остаточных напряжений. Этот процесс, сопровождающийся небольшим повышением пластичности и снижением характеристик прочности (предела текучести и прочности), называют отдыхом. При нагреве выше 0,4 температуры плавления (°К) в деформированном металле начинается рекристаллизация, в процессе которой происходит зарождение новых зерен и их рост. Постепенно структура металла обновляется. Образующиеся вновь зерна не имеют вытянутости и какой-либо преимущественной ориентировки. Почти полностью восстанавливаются свойства, характерные для недеформированного металла.
Размеры зерен после рекристаллизации зависят от степени предварительной деформации, температуры нагрева и выдержки в нагретом состоянии.
Процесс рекристаллизации протекает во времени. Чем выше температура нагрева, тем быстрее проходит рекристаллизация и сильнее изменяются свойства металла.
Характер пластической деформации зависит от соотношения процессов упрочнения и разупрочнения. Губкиным С.И. предложено различать виды деформации и, соответственно, виды обработки давлением.
Горячая деформация – деформация, после которой металл не получает упрочнения. Рекристаллизация успевает пройти полностью, новые равноосные зерна полностью заменяют деформированные зерна, искажения кристаллической решетки отсутствуют. Деформация имеет место при температурах выше температуры начала рекристаллизации.
Неполная горячая деформация характеризуется незавершенностью процесса рекристаллизации, которая не успевает закончиться, так как скорость ее недостаточна по сравнению со скоростью деформации. Часть зерен остается деформированными и металл упрочняется. Возникают значительные остаточные напряжения, которые могут привести к разрушению. Такая деформация наиболее вероятна при температуре, незначительно превышающей температуру начала рекристаллизации. Ее следует избегать при обработке давлением.
При неполной холодной деформации рекристаллизация не происходит, но протекают процессы возврата. Температура деформации несколько выше температуры возврата, а скорость деформации меньше скорости возврата. Остаточные напряжения в значительной мере снимаются, интенсивность упрочнения снижается.
При холодной деформации разупрочняющие процессы не происходят. Температура холодной деформации ниже температуры начала возврата.
Неполная холодная обработка широко распространена. По влиянию на структуру и свойства обрабатываемого металла она аналогична холодной деформации, но сопровождающий ее процесс отдыха обеспечивает достаточную пластичность для получения больших степеней деформации.
Горячая обработка металлов давлением широко распространена в практике. С энергетической точки зрения она представляет наиболее выгодный процесс, так как нагретый металл деформируется легко, обладает хорошей пластичностью, а полученный в результате такой обработки металл имеет однородную структуру и минимум остаточных напряжений. При горячей деформации литого металла происходят его уплотнение, заваривание пузырей и неплотностей, разрушение хрупкой литой структуры. Поэтому свойства деформированного металла несколько выше, чем у литого, как по показателям прочности, так и по показателям пластичности.