Характеристика реального металу.
Розрахунками теоретичної міцності металів, заснованими на класичній теорії, що представляє метал ідеально побудованим конгломератом, в якому атоми займають строго певні місця в кристалічних ґратах, показано, що реальна міцність металів у десятки та сотні разів нижче за теоретичну.
Міцність технічно чистого металу становить 250-300 МПа, тоді як теоретична міцність її повинна бути близько 15000 МПа.
Причиною такого зниження міцності є відхилення порядку розташування атомів у кристалічних ґратах металу від ідеального розташування, розглянутого вище. Реальний метал завжди є ідеально чистим і присутні у металі домішки, навіть у дуже невеликих кількостях, призводять до появи дефектів кристалічної будови металу. Фізичні порушення (дефекти) твердих металів, обумовлені відхиленням від правильного ідеального розташування атомів у ґратах металів.
Навіть ідеально побудований одиничний монокристал має дефекти, т.к. він має межі. В силу поверхневого натягу решітка на поверхні металу та в прилеглих ділянках виявляється спотвореною. Ще більш спотвореними виявляються ґрати полікристалічних тіл у зонах кордонів зерен. Межі зерен один із видів дефектів кристалічної будови.
Більш тонкими порушеннями кристалічної будови є субзеренна структура металів. Якщо ідеально побудований монокристал або кристалліт полікристалу можна подати у вигляді ідеальної сітки, то фактичне кристалографічна орієнтування в зернах ідеального кристала відрізняється від ідеальної, утворюючи так звану субзерен структуру зерна (рисунок 1.13).
 |
| Малюнок 1.13. Схема субзеренбудови зерна. |
Ділянки з однаковим орієнтуванням називаються тут субзерна. Вони орієнтовані щодо одне одного дуже невеликий кут (порядку кількох кутових секунд чи хвилин). Розміри субзерен 10 -4 -10 -5 см. Межі між субзерна є дефектами кристалографічної будови і називаються субзеренними кордонами. Кордони зерен та субзеренні межі відносяться до поверхневих (двовимірних) дефектів.
Включення других фаз у сплаві, а також мікропори є класом об'ємних (тривимірних) дефектів.
Ці дефекти мають значний вплив на механічні та фізичні властивості металів і сплавів, однак вирішальне значення в цьому відношенні мають точкові (нульмерні) та лінійні (одномірні) дефекти.
 | Малюнок 1.14. Схема точкових дефектів в атомній будові металів:а- вакансія;б- дислокований атом |
До точкових дефектів належать вакансії та дислоковані атоми (рисунок 1.14). Вакансії та міжвузелові атоми відіграють вирішальну роль у процесах дифузії, але можуть впливати і на механічні властивості. Наявність вакансій у ґратах повідомляє атомами рухливість, тобто. дозволяє їм переміщатися в процесах дифузії та самодифузії в металах та сплавах.
Вакансія утворюється шляхом виходу атома, що знаходиться у верхній атомній площині кристала на поверхню, внаслідок чого утворюється вакансія на поверхневому шарі, в яку може перейти будь-який сусідній атом, утворюючи нову вакансію і т.д. Таким чином, шляхом перескоку атома на місце існуючої вакансії, вона переміщається в об'ємі кристала, повідомляючи атоми необхідну в процесах дифузії рухливість. Кількість вакансій у кожному металі є величиною строго визначеною, залежноювід температури.
Дислоковані атоми утворюються в результаті перескоків зі свого регулярного становища до найближчого міжвузля. Ці перескоки можуть здійснюватися в результаті локальних підвищення температури і напруги, що повідомляють окремим атомам енергію, що підвищує середню теплову енергію всіх атомів. Імовірність утворення дислокованих атомів у порівнянні з вакансіями значно менша, тому і концентрація дислокованих атомів завжди значно менша, ніж вакансій. За наявності у сплаві обох типів точкових дефектів може відбуватися їхня взаємодія, внаслідок якого зменшується кількість дефектів решітки.
До лінійних дефектів належать дислокації. Розрізняють два основні види лінійних недосконалостей: крайові та гвинтові дислокації.
Крайові дислокації в кристалі виникають у тому випадку, якщо частина кристала по всій площині ковзання під дією напруг зрушується щодо іншої частини на деяку величину, порівнянну з міжатомною відстанню або його частиною (рисунок 1.15).
 |
| Малюнок 1.15. Схема утворення крайової дислокації |
Після появи дислокації продовження тривалості дії напруги призводить до переміщення крайової дислокації в площині ковзання в напрямку дії напруги, званого вектором зсуву. Графічно крайова дислокація є структурною недосконалістю кристалічної решітки, викликане в ній присутністю в ній "зайвої" атомної напівплощини (екстраплоскості). Ця площина перпендикулярна до площини малюнка. Область, що знаходиться поблизу краю екстраплощини, називається ядром дислокації. У ядрі дислокації спостерігається найбільше спотворення кристалічних ґрат: вище кромки екстраплоскості ґратвиявляється стиснутою, нижче - розтягнутою, а з боків зсунутою. Довжина лінії дислокації в перпендикулярній площині малюнку має той же порядок, що макроскопічні розміри кристала. Часто дислокації розповсюджуються через весь кристал. Поперечні розміри дислокації дуже малі (у радіусі близько десяти міжатомних відстаней).
Крайові дислокації розрізняють позитивні, якщо зсувається верхня частина кристала і негативні, якщо зсувається нижня частина (рисунок 1.16).
 |
| Малюнок 1.16. Позитивна та негативна крайові дислокації в кристалі |
Взаємодія різноїменних дислокацій, що зсуваються в одній площині ковзання, може призводити до анігіляції дислокацій, зміни кількості дефектів решітки.
Основними характеристиками дислокацій є:
a) вектор зсуву, який називається вектором Бюргерса,
b) напрямок лінії дислокації.
Вектор Бюргерса є основною кількісною енергетичною характеристикою дислокації. Вектор Бюргерса з одного боку виражає здатність дислокації при своєму русі викликати пластичний зсув даної величини та напрямки і, з іншого боку, є мірою спотвореності кристалічних ґрат, що містить дислокацію. Лінія крайової дислокації перпендикулярна вектору зсуву. І, отже, крайова дислокація, що утворюється в металі під дією виникаючих внутрішніх напруг, може рухатися паралельно самій собі в площині ковзання в напрямку, перпендикулярному лінії дислокації.
Гвинтова дислокація утворюється при зрушенні однієї частини кристала щодо іншої не одночасно по всій площині ковзання (рисунок 1.17). У цьому випадку найбільш спотворену кристалічну решітку отримують мікрооб'єми металу налінії, паралельні вектор зсуву. При цьому навколо цієї лінії атомні площини виявляються вигнутими по гвинтовій лінії.
Радіус дії дислокації на ці площині знаходиться в межах кількох десятків міжатомних відстаней.
У гвинтовій дислокації, на відміну крайової, лінія дислокації паралельна вектору Бюргерса, а напрямок переміщення дислокації - перпендикулярно йому. Гвинтові дислокації також можуть мати різні знаки, у цьому випадку вони називаються правою та лівою дислокацією. При зустрічі різноіменних гвинтових дислокацій може мати місце їх анігіляція.
| Малюнок 1.17. Порівняння крайової (а) та гвинтової (б) дислокацій |
Як гвинтова, так і крайова дислокації в ідеальному випадку прямолінійні недосконалості. Однак у реальному металі можуть мати місце криволінійні дислокації, складені з декількох крайових і гвинтових дислокацій. Така дислокація називається змішаною.
Для чого необхідне знання дефектів кристалічної будови та, конкретно, дислокацій для спеціалістів різних спеціальностей? Виявляється, що дислокації беруть безпосередню участь у всіх структурних та фазових перетвореннях у металах та сплавах та надають значний вплив на їх властивості. Ретельне вивчення субзеренних кордонів та кордонів зерна показує, що вони є скупченнями недосконалостей кристалічної будови та найбільшою мірою дислокацій (рисунок 1.18).
 | Малюнок 1.18. Схема субзеренного кордону |
На малюнку наведено схему субзеренного кордону, складеної з крайових дислокацій. Видно, що впливаючи якимось чином на кількість дислокацій можна збільшити ступінь розорієнтування субзерен, зменшити їх розмірирозмір зерна, тим самим безпосередньо впливаючи на фізико-механічні властивості металів і сплавів. Керуючи механізмом переміщення дислокацій у металах, впливаю на їх рухливість, можна викликати зміцнення або розміцнення сплавів. З іншого боку, кількість дислокацій у матеріалі, їх взаємодія та розподіл визначає поведінку матеріалу у виробі під дією експлуатаційних навантажень та температурних впливів. Виходи дислокацій на поверхню кристала та зовнішню поверхню виробу підвищують хімічну активність матеріалу, знижують його корозійну стійкість. Дислокації є каталізаторами виділення надлишкових фаз у сплавах, впливаючи на процеси розпаду пересичених твердих розчинів та інші процеси фазових перетворень.
Розглянуті дефекти кристалічних ґрат, як бачимо, призводять до її спотворень. Ці спотворення спричиняють зростання енергії кристала. Зазвичай цю додаткову енергію умовно виражають як напруг. Відповідно до класифікації внутрішніх напруг, запропонованої Н.М. Давиденкова, їх класифікують як напруги I, II, і III роду. До мікронапруг II роду відносяться залишкові напруги, що врівноважуються в обсягах окремих зерен або субзерен. Ця напруга виникає внаслідок наявності середньої деформації кристалічних грат, що становлять обсяги відповідних зерен або субзерен. Наявність напруги II роду призводить до розмиття рентгенівських ліній на рентгенограмі. Розмір розмиття ліній визначає величину напруги II роду.
До мікронапруженням III роду відносять залишкові напруги, що виникають в результаті відхилень атомів в кристалічній решітці від ідеального положення навколо одиничних дефектів кристалічних грат (точкових або лінійних). Ці напруги врівноважуються в обсягах зрадіусом, порівнянним з однією або декількома міжатомними відстанями в кристалічній решітці.
Основна маса мікронапруг зосереджена у прикордонних зонах: за межами блоків, кристалів, а також у зонах кристалів, у яких спостерігається підвищена щільність дислокацій.
Напруги I роду - макроскопічні, що у результаті найбільш грубих дефектів у металах. Ця напруга врівноважується в об'ємах, порівнянних з об'ємом тіла або його макроскопічних зон. Найбільш відповідальними за зміну фізико-механічних властивостей металів і сплавів є напруги ІІ та ІІІ роду, і в першу чергу ІІІ роду, тоді як макронапруги (І роду) відповідають за здатність виробів надійно працювати без руйнування в умовах експлуатації під дією динамічних навантажень, втомного руйнування та інших складних ситуаціях.
Чи не знайшли те, що шукали? Скористайтеся пошуком: