Как влияет плотность дислокаций на свойства металлов

• Основы материаловедения
• Лекция 2
• Строение реальных металлов. Дефекты кристаллического строения
• 1.     
  Точеные дефекты
• 2.    
  Линейные дефекты:

3.    
Простейшие виды дислокаций – краевые и винтовые.

Из
жидкого расплава можно вырастить монокристалл. Их обычно используют в лабораториях
для изучения свойств того или иного вещества.

Металлы
и сплавы, полученные в обычных условиях, состоят из большого количества
кристаллов, то есть, имеют поликристаллическое строение. Эти кристаллы
называются зернами.

Они имеют неправильную форму и различно ориентированы в
пространстве.

Каждое зерно имеет свою ориентировку кристаллической решетки,
отличную от ориентировки соседних зерен, вследствие чего свойства реальных
металлов усредняются, и явления анизотропии не наблюдается

1. В
   кристаллической решетке реальных металлов имеются различные дефекты
   (несовершенства), которые нарушают связи между атомами и оказывают влияние на
   свойства металлов. Различают следующие структурные несовершенства:
2. ·        
   точечные – малые во всех трех измерениях;
3. ·        
   линейные – малые в двух измерениях и сколь угодно протяженные в
   третьем;
4. ·        
   поверхностные – малые в одном измерении.
5. Точеные
   дефекты

Одним
из распространенных несовершенств кристаллического строения является наличие
точечных дефектов: вакансий, дислоцированных атомов и примесей. (рис. 2.1.)

Рис.2.1. Точечные дефекты

Вакансия
– отсутствие атомов в узлах кристаллической решетки, «дырки», которые
образовались в результате различных причин. Образуется при переходе атомов с
поверхности в окружающую среду или из узлов решетки на поверхность (границы
зерен, пустоты, трещины и т. д.

), в результате пластической деформации, при
бомбардировке тела атомами или частицами высоких энергий (облучение в
циклотроне или нейтронной облучение в ядерном реакторе). Концентрация вакансий
в значительной степени определяется температурой тела. Перемещаясь по
кристаллу, одиночные вакансии могут встречаться.

И объединяться в дивакансии.
Скопление многих вакансий может привести к образованию пор и пустот.

Дислоцированный
атом – это атом, вышедший из узла решетки и занявший место в междоузлие.
Концентрация дислоцированных атомов значительно меньше, чем вакансий, так как
для их образования требуются существенные затраты энергии. При этом на месте
переместившегося атома образуется вакансия.

Примесные
атомы всегда присутствуют в металле, так как практически невозможно выплавить
химически чистый металл. Они могут иметь размеры больше или меньше размеров
основных атомов и располагаются в узлах решетки или междоузлиях.

Точечные
дефекты вызывают незначительные искажения решетки, что может привести к
изменению свойств тела (электропроводность, магнитные свойства), их наличие
способствует процессам диффузии и протеканию фазовых превращений в твердом
состоянии. При перемещении по материалу дефекты могут взаимодействовать.

Линейные
дефекты:

Основными
линейными дефектами являются дислокации. Априорное представление о дислокациях
впервые использовано в 1934 году Орованом и Тейлером при исследовании
пластической деформации кристаллических материалов, для объяснения большой
разницы между практической и теоретической прочностью металла.

Дислокация – это дефекты
кристаллического строения, представляющие собой линии, вдоль и вблизи которых
нарушено характерное для кристалла правильное расположение атомных плоскостей.

Простейшие
виды дислокаций – краевые и винтовые.

Краевая
дислокация представляет
собой линию, вдоль которой обрывается внутри кристалла край “лишней“
полуплоскости (рис. 2.2)

а) б)

Рис. 2.2. Краевая дислокация (а) и механизм ее образования (б)

Неполная
плоскость называется экстраплоскостью.

Большинство
дислокаций образуются путем сдвигового механизма. Ее образование можно описать
при помощи следующей операции. Надрезать кристалл по плоскости АВСD, сдвинуть
нижнюю часть относительно верхней на один период решетки в направлении,
перпендикулярном АВ, а затем вновь сблизить атомы на краях разреза внизу.

Наибольшие
искажения в расположении атомов в кристалле имеют место вблизи нижнего края
экстраплоскости. Вправо и влево от края экстраплоскости эти искажения малы
(несколько периодов решетки), а вдоль края экстраплоскости искажения
простираются через весь кристалл и могут быть очень велики (тысячи периодов
решетки) (рис. 2.3).

Если
экстраплоскость находится в верхней части кристалла, то краевая дислокация –
положительная (), если в
нижней, то – отрицательная (). Дислокации одного знака отталкиваются, а
противоположные притягиваются.

Рис. 2.3. Искажения в кристаллической решетке при наличии краевой
дислокации

Другой
тип дислокаций был описан Бюргерсом, и получил название винтовая дислокация

Винтовая
дислокация получена
при помощи частичного сдвига по плоскости Q вокруг линии EF (рис. 2.4) На
поверхности кристалла образуется ступенька, проходящая от точки Е до края
кристалла.

Такой частичный сдвиг нарушает параллельность атомных слоев, кристалл
превращается в одну атомную плоскость, закрученную по винту в виде полого
геликоида вокруг линии EF, которая представляет границу, отделяющую часть
плоскости скольжения, где сдвиг уже произошел, от части, где сдвиг не
начинался.

Вдоль линии EF наблюдается макроскопический характер области
несовершенства, в других направлениях ее размеры составляют несколько периодов.

Если
переход от верхних горизонтов к нижним осуществляется поворотом по часовой
стрелке, то дислокация правая, а если поворотом против часовой
стрелки –левая.

Рис. 2.4. Механизм образования винтовой дислокации

Винтовая
дислокация не связана с какой-либо плоскостью скольжения, она может
перемещаться по любой плоскости, проходящей через линию дислокации. Вакансии и
дислоцированные атомы к винтовой дислокации не стекают.

• В
  процессе кристаллизации атомы вещества, выпадающие из пара или раствора, легко
  присоединяются к ступеньке, что приводит к спиральному механизму роста
  кристалла.
• Линии
  дислокаций не могут обрываться внутри кристалла, они должны либо быть
  замкнутыми, образуя петлю, либо разветвляться на несколько дислокаций, либо
  выходить на поверхность кристалла.
• Дислокационная
  структура материала характеризуется плотностью
  дислокаций.
• Плотность
  дислокаций в
  кристалле определяется как среднее число линий дислокаций, пересекающих внутри
  тела площадку площадью 1 м2, или как суммарная длина линий
  дислокаций в объеме 1 м3
• (см-2;
  м-2)

Плотность
дислокаций изменяется в широких пределах и зависит от состояния материала.
После тщательного отжига плотность дислокаций составляет 105…107 м-2, в кристаллах с сильно
деформированной кристаллической решеткой плотность дислокаций достигает 1015…10 16 м –2.

Плотность
дислокации в значительной мере определяет пластичность и прочность материала
(рис. 2.5)

Рис. 2.5. Влияние плотности дислокаций на прочность

Минимальная
прочность определяется критической плотностью дислокаций 

Если
плотность меньше значения а, то сопротивление деформированию
резко возрастает, а прочность приближается к теоретической. Повышение прочности
достигается созданием металла с бездефектной структурой, а также повышением
плотности дислокаций, затрудняющим их движение.

В настоящее время созданы
кристаллы без дефектов – нитевидные кристаллы длиной до 2 мм, толщиной 0,5…20
мкм — “усы“ с прочностью, близкой к теоретической: для железа = 13000 МПа, для меди =30000 МПа. При упрочнении металлов увеличением
плотности дислокаций, она не должна превышать значений 1015…10 16 м –2.

В противном случае
образуются трещины.

Дислокации
влияют не только на прочность и пластичность, но и на другие свойства
кристаллов. С увеличением плотности дислокаций возрастает внутреннее, изменяются
оптические свойства, повышается электросопротивление металла.

Дислокации
увеличивают среднюю скорость диффузии в кристалле, ускоряют старение и другие
процессы, уменьшают химическую стойкость, поэтому в результате обработки
поверхности кристалла специальными веществами в местах выхода дислокаций
образуются ямки.

Дислокации
образуются при образовании кристаллов из расплава или газообразной фазы, при
срастании блоков с малыми углами разориентировки. При перемещении вакансий
внутри кристалла, они концентрируются, образуя полости в виде дисков. Если
такие диски велики, то энергетически выгодно “захлопывание” их с образованием
по краю диска краевой дислокации. Образуются дислокации при деформации, в
процессе кристаллизации, при термической обработке.

Поверхностные
дефекты–
границы зерен, фрагментов и блоков (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Разориентация зерен и блоков в металле

Размеры
зерен составляют до 1000 мкм. Углы разориентации составляют до нескольких
десятков градусов ().

Граница
между зернами представляет собой тонкую в 5 – 10 атомных диаметров
поверхностную зону с максимальным нарушением порядка в расположении атомов.

Строение
переходного слоя способствует скоплению в нем дислокаций. На границах зерен
повышена концентрация примесей, которые понижают поверхностную энергию.

Однако
и внутри зерна никогда не наблюдается идеального строения кристаллической
решетки. Имеются участки, разориентированные один относительно другого на
несколько градусов ().
Эти участки называются фрагментами.

Процесс деления зерен на фрагменты называется фрагментацией или полигонизацией.

В свою
очередь каждый фрагмент состоит из блоков, размерами менее 10 мкм,
разориентированных на угол менее одного градуса (). Такую структуру называют блочной или мозаичной.

Влияние дефектов строения металлов на их прочность

Дислокации.Характеристикой, непосредственно влияющей на сопротивление сплава пластической деформации, является плотность дислокаций, т. е. их суммарная длина, приходящаяся на единицу объема металла. Размерность плотности дислокаций принято выражать в см-2 (см/см3).

Зависимость между прочностью металла σ и плотностью дислокаций ρ может быть представлена графиком (рис. 2.3.1).

В точке Впри плотности дислокаций 106—107 см-2 уменьшение прочности прекращается и начинается ее постепенный рост. Это объясняется тем, что с увеличением ρ перемещение дислокаций затрудняется в связи с тем, что они начинают передвигаться не по параллельным, а по пересекающимся плоскостям других систем скольжения, тем самым препятствуя движению друг друга (участок ВС).

Рис.2.3.1. Зависимость прочности металлов от концентрации дефектов (плотности дислокаций)

Из изложенного выше следует, что от дислокационной структуры существенно зависят прочностные свойства металла и что этими свойствами можно управлять, целенаправленно изменяя дислокационную структуру за счет выбора химического состава сплава, режимов его термической обработки или обработки какими-либо другими специальными методами.

Это достигается путем легирования, закалки или наклепа металла. При этом плотность дислокаций не должна превышать 1012- 1013 см-2, так как при большей плотности дислокаций металл становится хрупким. На практике обычно следуют по второму пути.

Легирование— это введение в металл небольших количеств специальных примесей, которые приводят к значительным его структурным изменениям. Легирующие добавки сильно взаимодействуют с дислокациями и затрудняют их движение, улучшая тем самым механические характеристики.

Закалка— это термическая обработка, заключающаяся в нагреве металла выше температуры фазового превращения в твердом состоянии, выдерживании при этой температуре и контролируемом ускоренном охлаждении.

В результате этих операций в металле увеличи­вается концентрация дефектов, в том числе плотность дислокаций, а также образуется мелкозернистая структура, поэтому протяженность границы между зернами резко возрастает.

Сама же граница трудно­проходима для дислокаций, что приводит к затруднению их движения и упрочнению металла.

Наклеп— это обработка металлической заготовки путем прокатки, ковки или волочения. В результате пластической деформации металла увеличивается плотность дислокаций (и концентрация других дефектов), а главное ─дислокации при этой обработке переплетаются, что приводит к затруднению их движения и упрочнению металла. На этом принципе было основано производство дамасской стали.

Указанные технологические операции (легирование, закалка, наклеп) создают оптимальную концентрацию дислокаций. Известно, что наибольшее упрочнение металлов достигается при плотности дислокаций порядка 1012—1013 на 1 см-2 (у совершенных кристаллов Si и Gе – 102—103 на 1 см-2, а у недеформированных металлических кристаллов 106—108 на I см-2).

Рекристаллизация– это образование новых равноосных зерен из деформированных кристаллов. Рекристаллизацию, например, проводится с целью устранения наклепа холоднодеформированного металла и возвращении стали пластичности. При отжиге стали , начиная от температуры 550 С и выше , вытянутые в результате деформации зерна становятся равноосными.

2.2. Пластическая деформация и механические свойства

§ 6. Дислокации — желанные и гонимые [1984 Займовский В.А., Колупаева Т.Л. — Необычные свойства обычных металлов]

В 30 — 40-х годах нашего века представления о дислокациях с большим трудом пробивали себе дорогу в физике твердого тела и прочно утвердились пожалуй, лишь в 50-х годах, когда самые упорные противники уже не могли отрицать их существование (тогда они начали отрицать важность их роли). Теперь гонимые прежде дислокации поселились уже и в школьных учебниках физики, а это значит, что их позиции незыблемы. Поэтому вопрос о том, нужны они или не нужны, приобрел совсем иное звучание. Если раньше имелось в виду «нужны ли физике металлов?», то сейчас — «нужны ли металлу?».

Этот вопрос, как и многие ему подобные, не имеет однозначного ответа, так как у проблемы, как минимум, две стороны. С одной стороны, дислокации — это носители пластичности, а пластичность металлу необходима.

С другой, — дислокации несут ответственность за низкое сопротивление металла пластической деформации, за низкую прочность на сдвиг, а прочность металла тоже является его главнейшей привилегией.

А поскольку дислокации изменяют и физические свойства металла, влияют на процессы разнообразных внутренних превращений в сплавах, на параметры диффузии в твердом состоянии, здесь есть еще третья сторона, четвертая и т. д.

Первое и прямое следствие размножения дислокаций в ходе пластической деформации — это знакомое всем явление наклепа металла.

Наклеп выражается в том, что чем сильнее мы деформируем металл, тем больше он сопротивляется деформации, а графически — в том, что линия АВ диаграммы σ — ε (рис.

13) имеет положительный наклон к оси деформаций. Каждая новая порция деформации требует все большего напряжения.

По мере развития пластического течения увеличивается число дислокаций, покидающих металл. Они выходят на поверхность, формируют там ступеньки, изменяют тем самым форму металла, в общем создают то, что мы называем деформацией и измеряем при испытании образцов (при прокатке или ковке металла).

Но, как в сказке, на смену им приходят сотни других, действуют источники Франка — Рида, наполняется дислокациями весь объем деформируемого металла. Рост плотности дислокаций приводит к уменьшению расстояний между ними, они вступают во взаимодействие друг с другом, образуют сложные сплетения, запутанные клубки.

В такой сильно развитой дислокационной структуре движение каждой следующей дислокации все более затрудняется.

Рис. 46

Легко понять, что если две одинаковые краевые дислокации сблизятся на межатомное расстояние, то это должно вызвать очень большие искажения решетки (рис. 46).

Если первая из них встретила какую-либо преграду в своем движении (например, границу зерна) и была остановлена ею, то она будет препятствовать приближению второй, отталкивать ее.

Значит, на источник Франка — Рида кроме сил натяжения дислокации будет действовать встречное напряжение, и чтобы он продолжал работать, нужно увеличивать внешнее напряжение τ.

Рис. 47

Помимо той плоскости скольжения, которая начинает действовать первой, в процесс деформации постепенно вовлекаются и другие, ее пересекающие. Соответственно, каждая дислокация сталкивается на своем пути не только со своими прямыми сородичами, рожденными тем же источником (как на рис.

45), но и с другими, расположенными или двигающимися под разными углами к ее плоскости скольжения. Она как бы продирается через лес других дислокаций. Металлофизики так и говорят — «дислокационный лес». Словно как в сказке, чем дальше (по оси ε на рис.

13), тем гуще становится этот лес и тем труднее двигаться нашему герою.

В конце концов способность металла к пластической деформации исчерпывается и происходит его разрушение.

Так проявляется двойственность той роли дислокаций, которую они играют в судьбе металла, подвергнутого действию возрастающего напряжения.

Вначале они помогают металлу изменять форму и тем самым сохранять свою целостность в борьбе с внешней силой, но при этом потихоньку «роют ему могилу», сами затрудняя свое движение и приближая момент разрушения.

С двуличием дислокаций мы еще столкнемся и в дальнейшем. А сейчас можно подвести некоторые итоги, а заодно уже с новых позиций вернуться к нескольким вопросам, которых мы коснулись в гл. 2.

Итак, что значит запретить пластическую деформацию (см. выше)? Это значит создать кристалл, в котором практически нет дислокаций. Такие кристаллы — усы уже находят применение в технике.

С другой стороны, сопротивление пластической деформации металла можно увеличить, подвергая его пластической деформации. Эта фраза, возможно, немного режет слух, но в ней выражена суть явления наклепа. Ведь нам не обязательно доводить процесс деформирования до разрушения.

Если мы остановим его в точке А' диаграммы σ — ε (рис. 13) и разгрузим образец, то при последующем нагружении пластическая деформация возобновится после того, как напряжение вновь достигнет значения, соответствующего этой же точке А'.

Это означает, что материал, испытавший пластическую деформацию, равную εост, имеет более высокий предел упругости, чем исходный недеформированный материал.

Вместе с тем пластичность деформированного материала меньше, чем исходного, потому что точка А' в шкале деформаций находится ближе к моменту разрушения, чем точка A.

Таким образом, под влиянием пластической деформации металлы становятся тверже, прочнее, но одновременно и более хрупкими. Это знает каждый, кто ломал руками металлическую проволоку: второй раз согнуть ее труднее, чем первый, третий перегиб требует еще больших усилий и т. д.

Если снижение пластичности металла допустимо по условиям его последующей службы, то явление наклепа используется для его упрочнения.

Особенно широко применяется в технике наклеп поверхности изделий, предназначенных для работы в условиях знакопеременных нагрузок, в условиях, вызывающих износ, и др.

Но и здесь есть другая сторона проблемы — технологическая. Если нам нужно получить методами пластической деформации тонкую проволоку из толстого прутка, наклеп будет мешать нам сразу по двум причинам. Во-первых, металл упрочняется, и по мере его утонения будут требоваться все большие усилия.

Во-вторых, уменьшается его пластичность, и где-то на промежуточных стадиях процесса проволока начнет рваться. В этом случае дислокации надо изгнать из металла, надо вернуть его структуру в исходное состояние, понизить прочность, увеличить пластичность.

Это достигается путем нагрева деформированного металла, путем отжига при определенных температурах (обычно не ниже 0,4 — 0,5 от температуры плавления по абсолютной шкале). При таком отжиге плотность дислокаций снова уменьшается до 106 — 108 см-2.

Процесс изгнания «лишних» дислокаций из металла называют рекристаллизацией. В тех участках структуры, где искажения, вызванные наклепом, особенно велики, зарождаются новые зерна с малой плотностью дислокаций.

Далее они растут, их границы продвигаются все дальше, вбирая в себя или сметая на своем пути накопленные при наклепе дислокации. Когда эти новые зерна в своем росте сталкиваются друг с другом, мы получаем как бы новорожденную поликристаллическую структуру.

Теперь можно снова деформировать металл до определенного предела и, если потребуется, повторить операцию отжига и т. д.

А что если пластически деформировать металл сразу при повышенной температуре, превышающей темпера- туру рекристаллизации? «Какая смелая мысль!» — скажет иронически настроенный читатель.

Ведь это и есть так называемая горячая деформация металлов, которую человек использует уже тысячи лет. При горячей деформации одновременно с наклепом идет рекристаллизация, и металл в руках кузнеца ведет себя, как тесто в руках повара.

Кузнец, однако, должен быть проворным — по мере остывания металла последствия наклепа все настойчивей заявляют о себе.

Конечно, деформация при одной и той же температуре для одних металлов будет горячей, а для других холодной.

Например, чистый свинец можно легко деформировать пальцами при комнатной температуре, и хотя на ощупь он холодный, его деформация будет горячей (Tпл = 600 К; 0,5 Тпл = 300 К = 27°С).

Вольфрам же нужно будет нагревать до температуры более 1500°С (∼1800 К), так как он плавится при температуре около 3700 К.

Есть много других случаев, когда дислокации желанны и когда, наоборот, нужно стараться от них избавиться. В частности, искажая атомное строение металла, они влияют на его электрические, магнитные и другие физические свойства. Увеличение плотности дислокаций приводит к улучшению некоторых из этих свойств и к ухудшению других.

Вернемся теперь к вопросу о релаксации и внутреннем трении в металлах. Мы уже говорили о том, что существуют более мощные источники рассеяния энергии, чем те, о которых шла речь в гл. 2. Это, конечно, и есть дислокации.

Если напряжения достаточно велики, чтобы сдвинуть дислокации с места, то внутреннее трение резко возрастает, хотя деформация еще может оставаться упругой. Например, если действие источника Франка — Рида остановить на стадии 2 или 3 (рис. 45), то при разгрузке дислокация А В вернется в исходное положение и остаточной деформации не будет.

Но кристаллическая решетка всегда оказывает сопротивление движению дислокации. При скольжении дислокации, т. е. при переходе ее из исходного положения в позицию 2 или 3, возникают силы «трения», которые и переводят часть энергии деформации в тепло.

То же самое будет происходить, когда напряжение изменит знай, и дислокация будет выгибаться в другую сторону. В результате на диаграмме σ — ε (рис. 23) появится широкая петля, площадь которой и есть мера внутреннего трения.

Чтобы уменьшить внутреннее трение, обусловленное обратимым движением дислокаций, нужно уменьшить их число или в максимальной степени ограничить их подвижность. Наоборот, когда требуется высокое демпфирование, когда нужно добиться быстрого затухания колебаний, мы стремимся к увеличению числа дислокаций и их подвижности.

Между прочим, наклеп и рекристаллизация — это не единственный способ регулирования количества дислокаций, а взаимодействие с другими дислокациями — не единственная причина изменения подвижности. В некоторых чистых металлах и во многих сплавах существуют другие рычаги управления дислокационной структурой, и мы скоро с ними познакомимся.

И наконец, о влиянии дислокаций на диффузию и вообще об их взаимоотношениях с атомами примесей или легирующих элементов в сплавах. Эта тема заслуживает краткого, но отдельного разговора.

По демократичной цене костюм терминал на нашем сайте.

Контрольная работа по «Материаловедение и ТКМ»

• Министерство  образования и науки РФ
• ФЕДЕРАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ 
  ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
• ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО 
  ОБРАЗОВАНИЯ
• «ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 
  ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
• Контрольная работа
• по дисциплине «Материаловедение и ТКМ»
• Вариант №7
•   Выполнил: ________________
•                                                      группа:_______
•                                                                              Проверил:________________
• Омск 2013

Как влияет скорость охлаждения на строение кристаллизующегося металла? Объясните сущность воздействия.

Число центров кристаллизации и скорость роста кристаллов зависят 
от степени переохлаждения. Как видно 
из рисунка , число зародышей  скорость роста их при равновесной температуре 
кристаллизации Тs равны нулю. При увеличении степени переохлаждения они возрастают и достигают максимума.

При больших степенях переохлаждения число центров кристаллизации и скорость роста равны нулю, так как при низких температурах диффузионная подвижность атомов мала,  а тем самым уменьшена способность системы к превращению.

Чем больше скорость образования зародышей и меньше скорость их роста, тем меньше размер кристалла (зерна), выросшего из одного зародыша, и, следовательно, более мелкозернистой будет структура металла.

Рисунок 1 – Влияние степени переохлаждения на число зародышей (1) и скорость их роста (2)

При небольшой степени 
охлаждения ΔТ (малой скорости переохлаждения) число зародышей мало. В этих условиях будет получено крупное зерно. С 
увеличением степени переохлаждения скорость образования зародышей возрастает, количество их увеличивается и размер зерна в затвердевшем металле уменьшается.

Как изменяется плотность дислокаций при 
пластической деформации металлов? Влияние 
дислокаций на свойства металла

Деформация — это изменение линейных размеров и формы тела под действием приложенной силы (нагрузки). Пластическая деформация (необратимая) не исчезает после снятия нагрузки. Пластическая деформация возникает при напряжениях, превышающих предел упругости σупр или предел текучести σт.

При этом чем больше величина деформирующего напряжения, тем больше степень деформации. Важнейшим практическим следствием пластической деформации является упрочнение металла. Упрочнение металла в процессе пластической деформации называется наклепом.

Это выражается в повышении характеристик прочности (твердость, пределы текучести и прочности) и снижении пластичности и вязкости (относительное удлинение, ударная вязкость) (рисунок 1).

Пластическая 
деформация носит сдвиговый характер и осуществляется путем перемещения дислокаций по плоскостям и направлениям скольжения, причем количество дислокаций (плотность) возрастает. Это приводит к искажениям кристаллической решетки и упрочнению металла. Сущность упрочнения заключается в торможении дислокаций, в возникновении препятствий для их перемещения.

Рисунок 1 — Влияние степени 
пластической деформации на структуру 
и свойства металла

При пластической деформации изменяется микроструктура металла. Зерна 
вытягиваются, и структура приобретает 
волокнистое строение. Кроме того, зерна поворачиваются в направлении, благоприятном для сдвига, в результате чего возникает одинаковая кристаллографическая ориентировка зерен в пространстве — текстура.

Итак, при пластической деформации увеличивается плотность дислокаций, изменяется микроструктура, повышается прочность и снижается пластичность и вязкость.

Вычертите диаграмму состояния железо – 
цементит железа, укажите структурные 
составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения  для сплава, содержащего 2,5% С. Какова структура этого сплава при комнатной температуре и как такой сплав называется?

Вычертите диаграмму изотермического превращения 
аустенита для стали У8, нанесите кривую режима изотермической обработки, обеспечивающей получение твердости 60…63 HRC. Укажите, как этот режим называется. Опишите сущность превращений и структуру получаемую при этом.

Опишите термопластичные и термореактивные 
полимеры

Термопластичные полимеры (термопласты) состоят из макромолекул, соединенных между собой только физическими связями. Энергия разрыва физических связей невелика и составляет от 12 до 30 кДж/моль. При нагревании физические связи исчезают, при охлаждении — восстанавливаются.

Энергия разрыва химических связей, соединяющих мономерные звенья в цепную макромолекулу, многократно превышает указанные значения и составляет 200-460 кДж/моль.

Поэтому при нагревании термопластов до температуры плавления физические связи исчезают, а химические — ковалентные — сохраняются, и, следовательно, сохраняется неизменным химическое строение полимера. При охлаждении и затвердевании такого расплава физические связи и основные физические свойства термопластичного полимерного вещества восстанавливаются.

Таким образом, термопласты, во-первых, допускают формование изделий из расплава с его последующим охлаждением и затвердеванием и, во-вторых, могут перерабатываться многократно. Это, в свою очередь, позволяет возвращать в производственный цикл отходы производства, брак, изделия, утратившие потребительскую ценность.

Термореактивные полимеры (реактопласты) состоят из макромолекул, соединенных поперечными ковалентными, то есть химическими связями. Образовавшаяся сетчатая химическая структура необратима. Нелимитированное нагревание сетчатых полимеров приводит не к расплавлению, а к разрушению пространственной сетки, сопровождающемуся термодеструкцией.

С точки зрения практики это означает, что реактопласты допускают лишь однократную переработку в изделия, которые формуются в результате химической реакции отверждения.  Технологические и иные отходы производства практически не рециклируются. Вместе с тем сетчатая молекулярная структура придает полимерам ряд особых свойств, не наблюдаемых у термопластов.

Так, густосетчатые термореактивные полимеры, например, полиэпоксиды, характеризуются повышенными значениями модуля упругости, твердости и теплостойкости; редкосетчатые реактопласты, основными представителями которых являются эластомеры, обладают значительной и обратимой деформативностью, стойкостью к истиранию и повышенным коэффициентом трения.

Дислокация

Краевая дислокация характеризуется тем, что в какую-то часть кристаллической решетки как бы внедрена добавочная атомная плоскость, получившая название экстраплоскости.

Поперечное сечение края экстраплоскости, называемой линией дислокации, состоит из наиболее упруго искаженной области кристаллической решетки размером от 2 до 5 периодов, а длина линии дислокации может достигать многих десятков тысяч периодов решетки.

Мерой искажения кристаллической решетки служит так называемый вектор Бюргерса, который получается, если провести замкнутый контур вокруг любого произвольного участка в идеальной решетке, а затем этот же путь повторить в реальном кристалле, заключив дислокацию внутрь контура.

Можно заметить, что число атомов над экстраплоскостью в выделенном контуре будет на один ряд больше, чем под ней. Величина параметра кристаллической решетки, на которую отличается количество атомов над дислокацией и под дислокацией, получила название вектора Бюргерса.

Винтовая дислокация образуется в результате частичного сдвига в кристалле по плоскости Q. Это линия EF, вокруг которой атомные плоскости изогнуты по винтовой поверхности. Обойдя верхнюю изогнутую атомную плоскость по часовой стрелке, приходим к краю второй атомной плоскости и т.д. В этом случае кристалл можно рассматривать как состоящий из одной атомной плоскости, закрученной по винтовой поверхности. Если в краевой дислокации вектор Бюргерса перпендикулярен линии дислокации, то в винтовой дислокации он параллелен ей.

Важной характеристикой дислокаций, находящихся в реальном материале, является их плотность — суммарная длина всех линий дислокаций в единице объема. У отожженных металлов она составляет 106…108 см-2, а после холодной пластической деформации — 1011…1012 см-2. Попытка увеличить плотность дислокаций свыше 1012 см-2 приводит к появлению трещин и разрушению металла.

Первоначально дислокации возникают в процессе кристаллизации и оказывают существенное влияние практически на все свойства материала. Кроме того, дислокации принимают участие в таких процессах, как рекристаллизация и фазовые превращения, где служат готовыми центрами этих превращений.

Дислокации оказывают существенное влияние на скорость диффузии. Было замечено, что скорость диффузии вдоль дислокаций на несколько порядков выше, чем через кристаллическую решетку, в которой отсутствуют дислокации.

Следует иметь ввиду, что дислокации оказывают влияние на формирование некоторых точечных дефектов (например, появление примесных атомов), увеличивая их плотность и уменьшая искажения решетки.

Повышенная концентрация таких атомов вокруг дислокаций получила название атмосферы Коттрелла. Эта атмосфера мешает движению дислокаций, что приводит к упрочнению металла.

Особенно велико влияние дислокаций на прочность. Из-за легкой подвижности дислокаций реальная величина предела текучести металлов оказывается примерно в 1000 раз меньше теоретического значения. Прочность материала возрастает с увеличением плотности дислокаций и уменьшением их подвижности. Наивысшую прочность, приближающуюся к теоретическому значению, можно получить в бездефектных кристаллах, так называемых «усов», образующихся при кристаллизации из газовой фазы.

Особое значение дислокации имеют в микроэлектронике, где они играют роль тонких проводящих каналов, вдоль которых легко перемещаются атомы примеси. Название термина происходить от латинского слова dislocatio — смещение, перемещение.

Контрольная работа по "Материаловедению"

Вопрос1Как и почему изменяется плотность дислокаций при пластической деформации? Влияние дислокаций на свойства металла.

Упрочнение металла 
в процессе пластической деформации (наклеп) объясняется увеличением 
числа дефектов кристаллического строения (дислокаций, вакансий, межузельных 
атомов).

Повышение плотности дефектов кристаллического строения затрудняет движении отдельных новых дислокаций, а, следовательно, повышает сопротивление 
деформации и уменьшает пластичность. Наибольше значение имеет увеличение плотности дислокаций, т. к.

возникающие 
при этом между ними взаимодействия тормозит дальнейшее их перемещение.

Дислокационная структура 
материала характеризуется плотностью дислокаций.Плотность дислокаций в 
кристалле определяется как среднее 
число линий дислокаций, пересекающих внутри тела площадку площадью 1 м2, или 
как суммарная длина линий 
дислокаций в объеме 1 м3: (см-2; м-2)

Плотность дислокаций изменяется в широких пределах и 
зависит от состояния материала. После тщательного отжига плотность 
дислокаций составляет 105…107 м-2, в кристаллах с сильно деформированной кристаллической 
решеткой плотность дислокаций достигает 1015…10 16 м –2. 

• Плотность дислокации в значительной мере определяет пластичность и прочность материала (рисунок 1) 
    
• Рисунок 1 – Влияние 
  плотности дислокаций на прочность 
   
• Минимальная прочность 
  определяется критической плотностью дислокаций ρ = 105…107 м2.

Если плотность 
меньше значения а, то сопротивление 
деформированию резко возрастает, а 
прочность приближается к теоретической. Повышение прочности достигается 
созданием металла с бездефектной структурой, а также повышением плотности 
дислокаций, затрудняющим их движение.

В настоящее время созданы 
кристаллы без дефектов – нитевидные кристаллы длиной до 2 мм, толщиной 0,5…20 мкм – «усы» с прочностью, близкой 
к теоретической: для железа σВ = 13000 МПа, для меди σВ =30000 МПа. При упрочнении металлов увеличением плотности 
дислокаций, она не должна превышать 
значений 1015…10 16 м –2.

В противном 
случае образуются трещины. 

Дислокации влияют не только на прочность и пластичность, но и на другие свойства кристаллов. С увеличением плотности дислокаций возрастает внутреннее, изменяются оптические свойства, повышается электросопротивление металла.

Дислокации увеличивают среднюю 
скорость диффузии в кристалле, ускоряют старение и другие процессы, уменьшают 
химическую стойкость, поэтому в 
результате обработки поверхности 
кристалла специальными веществами в местах выхода дислокаций образуются ямки.

Вопрос 4Общие сведения о неметаллических материалах

К неметаллическим 
материалам относятся полимерные материалы 
органические и неорганические: различные 
виды пластических масс, композиционные материалы на неметаллической основе, каучуки и резины, клеи, герметики, лакокрасочные покрытия, а также 
графит, стекло, керамика.

Такие их свойства, как 
достаточная прочность, жесткость 
и эластичность при малой плотности, светопрозрачность, химическая стойкость, диэлектрические свойства, делают эти 
материалы часто незаменимыми. Они 
находят все большее применение в различных отраслях машиностроения.

1. Основой неметаллических 
   материалов являются полимеры, главным 
   образом синтетические.
2. Пластические массы 
3. Пластмассами называют искусственные материалы, получаемые на основе органических полимерных связующих 
   веществ.
4. Состав и свойства пластмасс 

Обязательным компонентом 
пластмассы является связующее вещество. В качестве связующих для большинства 
пластмасс используют синтетические 
смолы, реже применяют эфиры целлюлозы.

Другим важным компонентом 
пластмасс является наполнитель (порошкообразные, волокнистые и другие вещества). Наполнители повышают механические свойства, снижают усадку при прессовании 
и придают материалу те или 
иные специфические свойства.

• Свойства пластмасс 
  зависят от состава отдельных 
  компонентов, их сочетания и количественного 
  отношения, что позволяет изменять характеристики пластиков в достаточно широких пределах.
• Термопластичные пластмассы
• В основе термопластичных 
  пластмасс лежат полимеры линейной или разветвленной структуры, иногда в состав полимеров вводят пластификаторы.

Неполярные термопластичные 
пластмассы.  К ним относятся 
полиэтилен, полипропилен, полистирол и фторопласт-4.

Полиэтилен — продукт 
полимеризации бесцветного газа этилена, относящийся к кристаллизующимся 
полимерам.

Чем выше плотность 
и кристалличность полиэтилена, тем выше прочность и теплостойкость материала. Он химически стоек и 
при нормальной температуре нерастворим 
ни в одном из известных растворителей. Недостаток его подверженность старению.

При меняют для изготовления труб, пленок, литых и прессованных несиловых деталей.

Полипропилен является производной этилена. Это жесткий 
нетоксичный материал с высокими физико-механическими свойствами. Нестабильный полипропилен подвержен быстрому старению. Недостаток полипропилена его невысокая морозостойкость (от -10 до -20°С.

Полистирол — твердый, жесткий, прозрачный, аморфный полимер. Удобен для механической обработки, хорошо окрашивается, растворим в 
бензине. Недостаток его невысокая 
теплостойкость, склонность к старению и образованию трещин.

1. Из полистирола 
   изготавливают детали для радиотехники, телевидения и приборов, сосуды для 
   воды и многое другое.
2. Фторопласт-4 является аморфно-кристаллическим полимером. Разрушение материала происходит при 
   температуре выше 41 
3. Вопрос 3.Углеродистые инструментальные стали

Углеродистые инструментальные стали. Инструментальные углеродистые стали выпускают следующих марок: У7, У8, У8Г, У9, У10, У11, У12 и У13. Цифры 
указывают на содержание углерода в 
десятых долях процента.

Буква 
Г после цифры означает, что 
сталь имеет повышенное содержание марганца.

Марка инструментальной углеродистой стали высокого качества имеет букву 
А, например У12А: инструментальная углеродистая сталь высокого качества, содержащая 1,2% С. 

Инструменты, применение которых связано с ударной 
нагрузкой, например зубила, бородки, молотки, изготовляют из сталей У7А, У8А. Инструменты, требующие большей твердости, но не подвергающиеся ударам, например сверла, метчики, развертки, шаберы, напильники, — из сталей У12А, У13А. Стали У7—У9 подвергают полной, а стали У10-У13 неполной закалке. 

Недостатком углеродистых инструментальных сталей является их низкая теплостойкость — способность 
сохранять большую твердость 
при высоких температурных нагревах. При нагреве выше 200°С инструмент из углеродистой стали теряет твердость. 

• Классификация стали
• 1. Нержавеющая сталь 
• Прутки 
  и поковки из коррозионностойкой стали в закаленном состоянии предназначены 
  для изготовления деталей, работающих в агрессивных 
  средах.

 
Применение закаленной 
и коррозионностойкой 
стали в машиностроении 
позволяет снизить 
энергоемкость и 
трудоемкость при 
производстве деталей. 
В последнее время 
наблюдается увеличение 
использования низкоуглеродистых 
коррозионностойких 
сталей и сплавов 
в химической, криогенной, пищевой и легкой 
промышленности, обусловленной 
их высокой стойкостью 
в агрессивных 
средах.

 
Низкоуглеродистые 
коррозионностойкие 
марки стали применяются 
для изготовления 
сварного оборудования 
и трубопроводов, 
работающих в контакте 
с азотной кислотой 
и аммиачной селитрой, предназначена для 
изготовления основных 
узлов оборудования 
для синтеза карбамида 
и капролактама, работающих 
в кипящей фосфорной 
и 10% уксусной кислотах, сернокислых средах.

 
Тросы из нержавеющей 
стали используются 
в тех ситуациях, 
где не должна 
иметь место коррозия, а также при 
работе в условиях 
высоких температур, например, в яхтенном 
спорте, авиации, 
химической и пищевой 
отрасли.

 
Несмотря на малую 
относительную величину 
объемов производства 
нержавеющие стали 
в ряде случаев 
практически являются 
отраслеобразующим 
материалом. Например, развитие таких 
отраслей как авиакосмическая, 
нефтехимическая, 
пищевая, медицинская 
и бытовая впрямую 
зависит от рынка 
нержавеющего металлопроката.

 
Нержавейка применяется 
в сельхозмашиностроении, 
вагоностроении, автомобилестроении, в авиакосмической, 
нефтехимической, 
медицинской, пищевой 
промышленности (в 
т.ч.

 винодельческой 
промышленности для 
перекачивания вин, 
фруктовых соков, 
виноматериалов), при 
производстве инструмента 
сложной конфигурации (например, ножей для обработки 
кожи), в атомном 
машиностроении, в 
энергетическом машиностроении, в дизайне и 
оформлении, в судостроении, на заводах капитального 
ремонта транспорта, в производстве 
бытовой техники.

 
Коррозионностойкие 
стали — это стали, 
которые не окисляются 
в агрессивной 
среде (пар, кислота, 
соль и др. химические 
вещества).

Коррозионная 
стойкость сталей объясняется образованием на поверхности металла 
очень тонких пленок сложных окислов, которые плотно прилегают 
к поверхности 
металла и препятствуют проникновению агрессивных 
веществ в глубину 
металла. Такие пленки называют пассивными, а процесс их образования — пассивацией. 

 
Коррозионностойкие 
стали способны 
к самопассивации. Нарушение пленки 
пассивации на 
них легко восстанавливается. 
Все коррозионностойкие 
стали подразделены 
на две группы: хромистые и хромоникелевые.

 
Хромистые стали 
с низким содержанием 
углерода (менее 0,1%) и с высоким 
содержанием хрома 
(более 15%) являются 
ферритными и закалке 
не поддаются.

 
Остальные хромистые 
стали подвергают 
закалке с невысоким 
отпуском для получения 
антикоррозионных 
свойств. Хромоникелевые 
стали имеют структуру 
аустенита . Эти 
стали обладают 
хорошей стойкостью 
в различных кислотах.

 
Основным недостатком 
этих сталей является 
склонность к межкристаллитной 
коррозии. Устойчивость 
против межкристаллитной 
коррозии достигается 
закалкой этих 
сталей при температуре 
900-10000С с охлаждением 
в воде или на 
воздухе. Чувствительность 
стали к межкристаллитной 
коррозии существенно 
снижается при 
введении в сталь 
0,6 — 0,8 % титана.

 
Снижению склонности 
к межкристаллитной 
коррозии способствует 
уменьшение содержания 
углерода в стали. 
Для связывания 
углерода в устойчивые 
карбиды вводят 
небольшие добавки 
ниобия, однако при 
вводе ниобия возможно 
образование ферритной 
фазы.Добавка кремния 
делает аустенитные 
стали более прочными 
и упругими.

1. Нержавеющий металлопрокат находит 
   все большее применение в промышленности и строительстве, обеспечивая более 
   высокое качество, долговечность и 
   эстетику конечного 
   продукта.
2. 2. Инструментальная 
   сталь
3. Инструментальные 
   стали — это группа марок сталей, которые 
   путём термообработки приобретают высокую 
   твёрдость, прочность 
   и износостойкость, которые необходимы для обработки 
   металла резаньем или давлением.
4. По 
   своему назначению инструментальные стали делятся 
   на:
5.  
   Стали для измерительного 
   инструмента, низколегированные 
   и углеродистые 
   стали; 
6.  
   Стали для режущего 
   инструмента (быстрорежущие) 
   ледебуритного класса, высокой теплостойкости;
7.  
   Штамповые стали 
   для холодной деформации, не теплостойкие 
   стали заэвтектоидного 
   и ледебуритного 
   класса;
8.  
   Штамповые стали 
   для горячей деформации, теплостойкие стали 
   — доэвтектоидные, эвтектоидные 
   и заэвтектоидные.
9. Сталь углеродистая инструментальная 

Принадлежность 
стали к углеродистым обозначается буквой У, после которой 
идет цифра — среднее 
содержание углерода в десятых долях 
процента. Эти стали 
бывают качественные и высококачественные (с 
буквой А в конце 
марки).

 
Углеродистые инструментальные 
стали вследствие 
отсутствия легирующих 
элементов склонны 
к перегреву, имеют 
очень узкий интервал 
термообработки: 740-780°С 
для сталей У10-У12 и 730-750°С для 
сталей У7, У8.

 
Большое влияние 
на результаты 
термообработки оказывает 
исходная структура 
металла после 
прокатки. Грубопластинчатую 
структуру перлита 
очень тяжело превратить 
в зернистую без 
промежуточной нормализации.

 
Эти стали обладают 
большой склонностью 
к обезуглероживанию, 
особенно стали 
У7-У10, на сталях 
с большим содержанием 
углерода У12-У13 обезуглероживание 
незначительное, однако 
они склонны к 
образованию цементитной 
сетки.

 
Основным недостатком 
этих сталей является 
низкая прокаливаемость 
и склонность к 
перегреву.