Федеральное агентство по наукеРоссийской Федерации
Новгородский государственныйуниверситет имени Ярослава Мудрого
Кафедра химии иэкологии
Реферат по теме
СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ
Выполнил:
Студент гр. 6651
Васильев Виталий
Великий Новгород
2007
Содержание
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ………………………3
КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ………………………………..5
ДЕФЕКТЫ СТРОЕНИЯ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ТЕЛ…………………………..10
ТОЧЕЧНЫЕ ДЕФЕКТЫ…………………………………………………….10
ЛИНЕЙНЫЕ ДЕФЕКТЫ……………………………………………………12
ПОВЕРХНОСТНЫЕ ДЕФЕКТЫ……………………………………………18
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ………………………………………………………….22
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТАЛЛОВ ИСПЛАВОВ
Металлы и их сплавы повсеместно используются для изготовления конструкциймашин, оборудования, инструмента и т. д. Несмотря на широкий круг искусственносозданных материалов (керамики, клеев), металлы служат основным конструкционнымматериалом и в обозримом будущем по-прежнему будут доминировать.
В природе металлы встречаются как в чистом виде, так и в рудах, оксидах исолях. В чистом виде встречаются химически устойчивые элементы (Pt, Au, Ag,Cu). Масса наибольшего самородка меди составляет 420 т, серебра — 13,5 т,золота — 112 кг.Из 111 открытых элементов, представленных в Периодической системе элементов Д.И. Менделеева, 76 являются металлами, Si, Ge, As, Se, Te — промежуточными междуметаллами и неметаллами, иногда их называют полуметаллами. Все элементы,расположенные левее мысленной линии, проведенной от бора до астата (от № 5 до №85) относятся к металлам, а правее — в основном, к неметаллам. Эта границанедостаточно четко выражена, так как среди элементов, расположенных вблизиграницы, находятся и полуметаллы.
Металлические материалы обычно делятся на две большие группы: железо исплавы железа (сталь и чугун) называют черными металлами, а остальные металлы иих сплавы — цветными. Кроме того, все цветные металлы, применяемые в технике, всвою очередь, делятся на следующие группы:
— легкие металлыMg, Be, Al, Ti с плотностью до 5 г/см3;
— тяжелыеметаллы Pb, Mo, Ag, Au, Pt, W, Та, Ir, Os с плотностью, превышающей 10 г/см3;
— легкоплавкиеметаллы Sn, Pb, Zn с температурой плавления 232; 327; 410 °С соответственно;
— тугоплавкиеметаллы W, Mo, Та, Nb с температурой плавления выше, чем у железа (> 1536°С);
— благородныеметаллы Au, Ag, Pt с высокой устойчивостью против коррозии;
— урановыеметаллы или актиноиды, используемые в атомной технике;
— редкоземельныеметаллы (РЗМ) — лантаноиды, применяемые для модифицирования стали;
— щелочные ищелочноземельные металлы Na, К, Li, Ca в свободном состоянии применяются вкачестве жидкометаллических теплоносителей в атомных реакторах; натрий такжеиспользуется в качестве катализатора в производстве искусственного каучука, алитий — для легирования легких и прочных алюминиевых сплавов, применяемых всамолетостроении.
Свойства металлов разнообразны. Ртуть замерзает при температуре минус38,8 °С, вольфрам выдерживает рабочую температуру до 2000 °С (Т.пл. = + 3420°С), литий, натрий, калий легче воды, а иридий и осмий — в 42 раза тяжелеелития. Электропроводность серебра в 130 раз выше, чем у марганца. Вместе с темметаллы имеют характерные общие свойства. К ним относятся:
— высокаяпластичность;
— высокие тепло-и электропроводность;
— положительныйтемпературный коэффициент электрического сопротивления, означающий ростсопротивления с повышением температуры и сверхпроводимость многих металлов(около 30) при температурах, близких к абсолютному нулю;
хорошаяотражательная способность (металлы непрозрачны и имеют характерный металлическийблеск);
— термоэлектроннаяэмиссия, т. е. способность к испусканию электронов при нагреве;
кристаллическоестроение в твердом состоянии.
КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ
Общее свойство металлов и сплавов — их кристаллическое строение,характеризующееся определенным закономерным расположением атомов впространстве. Для описания атомно-кристаллической структуры используют понятиекристаллической решетки, являющейся воображаемой пространственной сеткой сионами (атомами) в узлах.
Атомно-кристаллическая структура может быть представлена не рядомпериодически повторяющихся объемов, а одной элементарной ячейкой. Такназывается ячейка, повторяющаяся во всех трех измерениях. Трансляцией этогонаименьшего объема можно полностью воспроизвести структуру кристалла (рис.1.1).
Рис. 1.1. Кристаллическая решетка
В кристалле элементарные частицы (атомы, ионы) сближены досоприкосновения. Для упрощения пространственное изображение принято заменятьсхемами, где центры тяжести частиц представлены точками. В точках пересеченияпрямых линий располагаются атомы; они называются узлами решетки. Расстояния a,b и c между центрами атомов, находящихся в соседних узлах решетки, называютпараметрами, или периодами решетки. Величина их в металлах порядка 0,1–0,7 нм,размеры элементарных ячеек — 0,2–0,3 нм.
Для однозначного описания элементарной ячейки кристаллической решеткинеобходимо знание величин параметров a, b, c и углов между ними.
В 1848 г.французский ученый Бравэ показал, что изученные трансляционные структуры иэлементы симметрии позволяют выделить 14 типов кристаллических решеток.
На рис. 1.2 показаны три типа элементарных ячеек кристаллических решеток,наиболее характерные для металлов: объемноцентрированная кубическая (ОЦК);гранецентрированная кубическая (ГЦК) и гексагональная плотноупакованная (ГП), атакже схемы упаковки в них атомов.
.
Рис. 1.2. Типы элементарных ячеек кристаллических решеток металлов и схемыупаковки в них атомов:
а)гранецентрированная кубическая (ГЦК);
б) объемноцентрированнаякубическая (ОЦК);
в)гексагональная плотноупакованная (ГП) решетка
В кубической гранецентрированной решетке (ГЦК; А1) атомы расположены ввершинах куба и в центре каждой грани (рис. 1.2, б).
В кубической объемноцентрированной решетке (ОЦК; А2) атомы расположены ввершинах куба, а один атом — в центре его объема (рис. 1.2, а).
В гексагональной плотноупакованной решетке (ГП; А3) атомы расположены ввершинах и центре шестигранных оснований призмы, а три атома — в среднейплоскости призмы (рис. 1.2, в).
Для характеристики кристаллических решеток вводят понятиякоординационного числа и коэффициента компактности. Координационным числомназывается число атомов, находящихся на наиболее близком и равном расстоянии отданного атома. Для ОЦК решетки координационное число равно 8, для решеток ГЦК иГП оно составляет 12. Из этого следует, что решетка ОЦК менее компактна, чемрешетки ГЦК и ГП. В решетке ОЦК каждый атом имеет всего 8 ближайших соседей, ав решетках ГЦК и ГП их 12.
Если принять, что атомы в решетке представляют собой упругиесоприкасающиеся шары, то нетрудно видеть, что в решетке, помимо атомов, имеетсязначительное свободное пространство. Плотность кристаллической решетки, т. е.объем, занятый атомами, характеризуется коэффициентом компактности.
Коэффициент компактности Q равен отношению суммарного объема атомов, входящих врешетку, к объему решетки:
где R — радиусатома (иона); n — базис, или число атомов, приходящихся на одну элементарнуюячейку; V — объем элементарной ячейки.
Для простой кубической решетки n = (1/8) · 8 = 1; V = a3 = (2R)3,коэффициент компактности Q = 52 %.
Схема определения базиса ОЦК решетки приведена на рис. 1.3. На решеткуОЦК приходится два атома: один центральный и один как сумма от вершин куба, таккак ячейке принадлежит 1/8 атома от каждого угла.
Для ОЦК решетки n = (1/8) · 8 + 1 = 2. Учитывая, что атомысоприкасаются по диагонали куба, длина которой равна 4 атомным радиусам,параметр решетки, а коэффициенткомпактности QОЦК = 68 %.
Проведя аналогичные вычисления, найдем QГЦК = 74 %, QГП = 74 %.
Таким образом, решетки ГЦК и ГП более компактны, чем ОЦК.
Некоторые металлы при разных температурах могут иметь различнуюкристаллическую решетку. Способность металла существовать в различныхкристаллических формах носит название полиморфизма или аллотропии. Принятообозначать полиморфную модификацию, устойчивую при более низкой температуре,индексом α (α-Fe), при более высокой индексом β, затем γ ит.д.
Известны полиморфные превращения железа:
Fea « Feg (a-Fe« g-Fe), титана Tia « Tig
(a-Ti « g-Ti) и других элементов.
Рис. 1.3. Схема определения базиса ОЦК решетки
Температура превращения одной кристаллической модификации в другуюназывается температурой полиморфного превращения.
При полиморфном превращении меняются форма и тип кристаллической решетки.Это явление называется перекристаллизацией. Так, при температуре ниже 911 °Сустойчиво Fea, в интервале 911–1392 °С устойчиво Feg. При нагреве выше 911 °Сатомы решетки ОЦК перестраиваются, образуя решетку ГЦК. На явлении полиморфизмаоснована термическая обработка.
При переходе из одной полиморфной формы в другую меняются свойства, вчастности плотность и соответственно объем вещества. Например, плотность Feg на3 % больше плотности Fea, а удельный объем соответственно меньше. Эти измененияобъема необходимо учитывать при термообработке.
Полиморфизм олова явился одной из причин гибели полярной экспедициианглийского исследователя Р. Скотта. Оловом были запаяны канистры с керосином.При низкой температуре произошло полиморфное превращение пластичного белогоолова с образованием хрупкого порошка серого олова. Горючее вылилось ииспарилось, и на обратном пути экспедиция осталась без топлива. Превращениебелого олова в серое называют «оловянной чумой».
Свойства материалов зависят от природы атомов, из которых они состоят, исилы взаимодействия между ними. Аморфные материалы характеризуются хаотическимрасположением атомов. Поэтому свойства их в различных направлениях одинаковы,или, другими словами, аморфные материалы изотропны. В кристаллическихматериалах расстояния между атомами в разных кристаллографических направленияхразличны. Например, в ОЦК решетке в кристаллографической плоскости, проходящейчерез грань куба, находится всего один атом, так как четыре атома в вершинаходновременно принадлежат четырем соседним элементарным ячейкам: (1/4) 4 = 1атом. В то же время в плоскости, проходящей через диагональ куба, будутнаходиться два атома: 1 + (1/4) 4 = 2.
Из-за неодинаковой плотности атомов в различных направлениях кристалланаблюдаются разные свойства. Различие свойств в кристалле в зависимости отнаправления испытания называется анизотропией.
Разница в физико-химических и механических свойствах в разныхнаправлениях может быть весьма существенной. При измерении в двух взаимноперпендикулярных направлениях кристалла цинка значения температурногокоэффициента линейного расширения различаются в 3–4 раза, а прочности кристаллажелеза — более чем в два раза.
Анизотропия свойств характерна для одиночных кристаллов или для так называемыхмонокристаллов. Большинство же технических литых металлов, затвердевших вобычных условиях, имеют поликристаллическое строение. Они состоят из большогочисла кристаллов или зерен (рис. 1.4, а). При этом каждое отдельное зерноанизотропно. Различная ориентировка отдельных зерен приводит к тому, что вцелом свойства поликристаллического металла являются усредненными.
Поликристаллическое тело характеризуется квазиизотропностью — кажущейсянезависимостью свойств от направления испытания. Квазиизотропность сохраняетсяв литом состоянии, а при обработке давлением (прокатке, ковке), особенно, еслиона ведется без нагрева, большинство зерен металла приобретает примерноодинаковую ориентировку — так называемую текстуру (pиc. 1.4, б), после чегометалл становится анизотропным. Свойства деформированного металла вдоль ипоперек направления главной деформации могут существенно различаться.Анизотропия может приводить к дефектам металла (расслою, волнистости листа).Анизотропию необходимо учитывать при конструировании и разработке технологииполучения деталей.
Рис. 1.4. Ориентировка кристаллических решеток:
а) в зернах литого металла; б)после обработки давлением
ДЕФЕКТЫСТРОЕНИЯ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ТЕЛ
Идеальная кристаллическая решетка представляет собой многократноеповторение элементарных кристаллических ячеек. Для реального металла характерноналичие большого количества дефектов строения, нарушающих периодичностьрасположения атомов в кристаллической решетке. Эти дефекты оказываютсущественное влияние на свойства материала. Различают три типа дефектовкристаллического строения: точечные, линейные и поверхностные.
ТОЧЕЧНЫЕ ДЕФЕКТЫ
Точечные дефекты (рис. 1.5) характеризуются малыми размерами во всех трехизмерениях. Величина их не превышает нескольких атомных диаметров. К точечнымдефектам относятся: а) свободные места в узлах кристаллической решетки —вакансии (дефекты Шоттки); б) атомы, сместившиеся из узлов кристаллическойрешетки в межузельные промежутки — дислоцированные атомы (дефекты Френкеля); в)атомы других элементов, находящиеся как в узлах, так и в междоузлияхкристаллической решетки — примесные атомы.
Рис.1.5. Точечные дефекты в кристаллической решетке:
а) вакансия; б)дислоцированный атом
Точечные дефекты образуются в процессе кристаллизации под воздействиемтепловых, механических, электрических воздействий, а также при облучениинейтронами, электронами, рентгеновскими лучами.
Вакансии и дислоцированные атомы могут появляться вследствие тепловыхдвижений атомов. В характерных для металлов решетках энергия образованиядислоцированных атомов значительно больше энергии образования тепловыхвакансий. Поэтому основными точечными дефектами в металлах являются тепловыевакансии. При комнатной температуре концентрация вакансий сравнительноневелика и составляет около 1 на 1018 атомов, но резко повышаетсяпри нагреве, особенно вблизи температуры плавления. Точечные дефекты незакреплены в определенных объемах металла, они непрерывно перемещаются вкристаллической решетке в результате диффузии.
Присутствие вакансий объясняет возможность диффузии — перемещения атомовна расстояния, превышающие средние межатомные расстояния для данного металла.Перемещение атомов осуществляется путем обмена местами с вакансиями. Различаютсамодиффузию и гетеродиффузию. В первом случае перемещения атомов не изменяютих концентрацию в отдельных объемах, во втором — сопровождаются изменениемконцентрации. Гетеродиффузия характерна для сплавов с повышенным содержаниемпримесей.
Точечные дефекты приводят к локальным изменениям межатомных расстояний и,следовательно, к искажениям кристаллической решетки. При этом увеличиваетсясопротивление решетки дальнейшему смещению атомов, что способствует некоторомуупрочнению кристаллов и повышает их электросопротивление.
Вакансии, дислоцированные атомы и другие точечные дефекты обнаружены приисследовании металлов с помощью автоионного микроскопа, дающего увеличениесвыше 106 раз.
ЛИНЕЙНЫЕ ДИФЕКТЫ
Линейные дефекты характеризуются малыми размерами в двух измерениях, ноимеют значительную протяженность в третьем измерении. Наиболее важный видлинейных дефектов — дислокации (лат. dislocation — смещение). Теория дислокацийбыла впервые применена в середине тридцатых годов ХХ века физиками Орованом,Поляни и Тейлором для описания процесса пластической деформации кристаллическихтел. Ее использование позволило объяснить природу прочности и пластичностиметаллов. Теория дислокаций дала возможность объяснить огромную разницу междутеоретической и практической прочностью металлов.
На рис. 1.6 приведена схема участка кристаллической решетки с одной«лишней» атомной полуплоскостью, т. е. краевой дислокацией. Линейная атомнаяполуплоскость PQQ’Р’ называется экстраплоскостью, а нижний край экстраплоскости— линией дислокации. Если экстраплоскость находится в верхней части кристалла,то дислокацию называют положительной и обозначают знаком «+», если в нижней —то отрицательной и обозначают знаком «–». Различие между дислокациями чистоусловное. Перевернув кристалл, мы превращаем положительную дислокацию вотрицательную. Знак дислокации позволяет оценить результат их взаимодействия.Дислокации одного знака отталкиваются, а противоположного — притягиваются.
Помимо краевых дислокаций в кристаллах могут образовываться и винтовыедислокации (рис. 1.7).
Винтовые дислокации могут быть получены путем частичного сдвига атомныхслоев по плоскости Q, который нарушает параллельность атомных слоев. Кристаллкак бы закручивается винтом вокруг линии EF. Линия EF является линией дислокации.Она отделяет ту часть плоскости скольжения, где сдвиг уже завершился, от тойчасти, где сдвиг еще не происходил. Винтовая дислокация, образованная вращениемпо часовой стрелке, называется правой, а против часовой стрелки — левой.
Вблизи линии дислокации атомы смещены со своих мест и кристаллическаярешетка искажена, что вызывает образование поля напряжений: выше линиидислокации решетка сжата, а ниже растянута.
Рис. 1.6.Краевая дислокация Рис. 1.7. Винтоваядислокация
Дислокации образуются уже при кристаллизации металлов, а также в ходепластической деформации и фазовых превращений. Плотность дислокаций можетдостигать большой величины. Под плотностью дислокаций r обычно понимаютсуммарную длину дислокаций S l, приходящуюся на единицу объема V кристалла: r =S l/V. Таким образом, размерность плотности дислокаций r: см/см3,или см2. Для отожженных металлов плотность дислокаций составляетвеличину 106–103 см2, после холодной деформации она увеличивается до1011–1012 см2, что соответствует примерно 1 млн. километровдислокаций в 1 см3.
Использование теории дислокаций позволило объяснить большое расхождениемежду теоретической и фактической прочностью металлов. Теоретическая прочностьдолжна быть пропорциональна произведению сил межатомной связи на число атомов всечении кристалла.
Расчетное усилие для смещения одной части кристалла относительно другойоказалось на 2–3 порядка выше фактически затрачиваемого при пластическойдеформации металла. Так, теоретическая прочность железа составляет около 13 000МПа, а фактическая — всего 250 МПа.
Такое расхождение теоретической и фактической прочности объясняется тем,что деформация происходит не путем одновременного смещения целых атомныхплоскостей, а путем постепенного перемещения дислокаций. Влияние дислокаций напроцесс пластической деформации на примере краевых дислокаций показано на рис.1.8.
Рис. 1.8. Схема пластической деформации путем последовательногоперемещения дислокации в простой кубической решетке:
а) исходноесостояние краевой дислокации
б) контурБюргерса вокруг дислокации;
в) контурБюргерса для неискаженной решетки после скольжения
Пластический сдвиг является следствием постепенного перемещениядислокаций в плоскости сдвига. Распространение скольжения по плоскостискольжения происходит последовательно. Каждый элементарный акт перемещениядислокации из одного положения в другое совершается путем разрыва лишь однойвертикальной атомной плоскости. Для перемещения дислокаций требуетсязначительно меньшее усилие, чем для жесткого смещения одной части кристаллаотносительно другой в плоскости сдвига. При движении дислокации вдольнаправления сдвига через весь кристалл происходит смещение верхней и нижней егочастей лишь на одно межатомное расстояние. В результате перемещения дислокациявыходит на поверхность кристалла и исчезает. На поверхности остается ступенькаскольжения.
В лекции о роли дислокаций Орован в качестве аналогии движения дислокацийприводил примеры перемещения таких представителей животного мира, как дождевойчервь или змея. Они скользят по поверхности земли, последовательно перемещаяучастки своего тела. При этом участки, через которые прошла волна возмущения, восстанавливают исходную форму. В случае пластическогосдвига позади переместившейся дислокации атомная структура верхних и нижнихслоев восстанавливает свою исходную конфигурацию.
Другой аналогией движения дислокаций является перемещение складки на ковре.Последовательное перемещение складки потребует значительно меньше усилий, чемперемещение всего ковра по поверхности пола, хотя в обоих случаях будетдостигнут один и тот же результат — ковер переместится на одинаковое расстояние(рис. 1.9).
Рис.1.9. Схема движения дислокации по аналогии с перемещением складки на ковре
Дислокации легко перемещаются в направлении, перпендикулярномэкстраплоскости. Чем легче перемешаются дислокации, тем ниже прочность металла,тем легче идет пластическая деформация.
Пластическая деформация кристаллических тел связана с количествомдислокаций, их шириной, подвижностью, степенью взаимодействия с дефектамирешетки и т. д. Характер связи между атомами влияет на пластичность кристаллов.Так, в неметаллах с их жесткими направленными связями дислокации очень узкие,они требуют больших напряжений для старта — в 103 раз больших, чем дляметаллов. В результате хрупкое разрушение в неметаллах наступает раньше, чемсдвиг.
Таким образом, причиной низкой прочности реальных металлов являетсяналичие в структуре материала дислокаций и других несовершенствкристаллического строения. Получение бездислокационных кристаллов приводит крезкому повышению прочности материалов (рис. 1.10).
Рис. 1.10.Влияние искажений кристаллической решетки на прочность кристаллов.
Левая ветвь кривой соответствует созданию совершенных бездислокационныхнитевидных кристаллов (так называемых «усов»), прочность которых близка ктеоретической.
При ограниченной плотности дислокаций и других искажений кристаллическойрешетки процесс сдвига происходит тем легче, чем больше дислокаций находится вобъеме металла.
С ростом напряжений возрастает число источников дислокаций в металле и ихплотность увеличивается. Помимо параллельных дислокаций возникают дислокации вразных плоскостях и направлениях. Дислокации воздействуют друг на друга, мешаютдруг другу перемешаться, происходит их аннигиляция (взаимное уничтожение) и т.д., что позволило Дж. Гордону образно назвать их взаимодействие в процессепластической деформации «интимной жизнью дислокаций». С повышением плотностидислокаций их движение становится все более затрудненным, что требует увеличения прилагаемой нагрузки для продолжения деформации. Врезультате металл упрочняется, что соответствует правой ветви кривой на рис.1.10.
Упрочнению способствуют и другие несовершенства кристаллическогостроения, также тормозящие движение дислокаций. К ним относятся атомырастворенных в металле примесей и легирующих элементов, частицы выделенийвторой фазы, границы зерен или блоков и т. д. На практике препятствие движениюдислокаций, т. е. упрочнение, создается введением других элементов(легирование), наклепом, термической или термомеханической обработкой. Снижениетемпературы также препятствует свободному перемещению дислокаций. При низкихтемпературах прочность растет, а пластичность падает. Металл становится болеепрочным, но хрупким.
Таким образом, повышение прочности металлов и сплавов может бытьдостигнуто двумя путями: 1) получением металлов с близким к идеальномустроением кристаллической решетки, т. е. металлов, в которых отсутствуютдефекты кристаллического строения или же их число крайне мало; 2) либо,наоборот, увеличением числа структурных несовершенств, препятствующих движениюдислокаций.
ПОВЕРХНОСТНЫЕ ДЕФЕКТЫ
Поверхностные дефекты имеют малую толщину и значительные размеры в двух другихизмерениях. Обычно это места стыка двух ориентированных участковкристаллической решетки. Ими могут быть границы зерен, границы фрагментоввнутри зерна, границы блоков внутри фрагментов. Соседние зерна по своемукристаллическому строению имеют неодинаковую пространственную ориентировкурешеток. Блоки повернуты друг по отношению к другу на угол от нескольких секунддо нескольких минут, их размер 10–5 см. Фрагменты имеют угол разориентировки неболее 5°. Если угловая разориентировка решеток соседних зерен меньше 5°, тотакие границы называются малоугловыми границами. Такая граница показана на рис.1.11. Все субзеренные границы (границы фрагментов и блоков) — малоугловые.Строение границ зерен оказывает большое влияние на свойства металла.
Рис. 1.11. Схемамалоугловой границы между блоками
На рис. 1.12 показано, что границы зерен и фаз могут совпадать(когерентные), совпадать частично (полукогерентные) и не совпадать(некогерентные).
Граница между зернами представляет собой узкую переходную зону шириной5–10 атомных расстояний с нарушенным порядком расположения атомов. В граничнойзоне кристаллическая решетка одного зерна переходит в решетку другого (рис.1.13). Неупорядоченное строение переходного слоя усугубляется скоплением в этойзоне дислокаций и повышенной концентрацией примесей.
.
Рис. 1.12. Схема межфазных границ:
а) когерентные;б) полукогерентные; в) некогерентные
Рис. 1.13. Схема строения зерен и границ между ними
Плоскости и направления скольжения в соседних зернах не совпадают.Скольжение первоначально развивается в наиболее благоприятно ориентированныхзернах. Разная ориентировка систем скольжения не позволяет дислокациямпереходить в соседние зерна, и, достигнув границы зерен, они останавливаются.Напряжения от скопления дислокаций у границ одних зерен упруго распространяютсячерез границы в соседние зерна, что приводит в действие источники образованияновых дислокаций (источники Франка—Рида). Происходит передача деформации отодних зерен к другим, подобно передаче эстафеты в легкоатлетических соревнованиях
Вследствие того, что границы зерен препятствуют перемещению дислокаций иявляются местом повышенной концентрации примесей, они оказывают существенноевлияние на механические свойства металла.
Под размером зерна принято понимать величину его среднего диаметра,выявляемого в поперечном сечении. Это определение условно, так какдействительная форма зерна в металлах меняется в широких пределах — отнескольких микрометров до миллиметров. Размер зерна оценивается в баллах поспециальной стандартизованной шкале и характеризуется числом зерен,приходящихся на 1 мм2 поверхности шлифа при увеличении в 100 раз(рис. 1.14).
Рис. 1.14. Шкалыдля определения величины зерна (ГОСТ 5639-82)
Процесс пластического течения, а, следовательно, и предел текучести зависятот длины свободного пробега дислокаций до «непрозрачного» барьера, т. е. дограниц зерен металла. Предел текучести sТ связан с размером зерна d уравнениемХолла—Петча: sТ = sо + kd–1/2, где sо и k — постоянные для данного металла. Чеммельче зерно, тем выше предел текучести и прочность металла. Одновременно приизмельчении зерна увеличиваются пластичность и вязкость металла. Последнееособенно важно для металлических изделий, работающих при низких температурах.Повышенные пластичность и вязкость обусловлены более однородным составом истроением мелкозернистого металла, отсутствием в нем крупных скоплений,структурных несовершенств, способствующих образованию трещин
Рост зерен аустенита эффективно затрудняет дисперсные частицы второй фазы— карбидов, нитридов, неметаллических включений. Частицы нитрида AlN,содержащиеся в спокойных сталях, раскисленных алюминием, препятствуют ростуаустенитных зерен.
В легированных сталях рост зерен аустенита тормозится карбидами икарбонитридами легирующих элементов V, Ti, Nb, микродобавки которых вколичестве около 0,1 % специально вводят в стали с целью сохранения мелкогозерна аустенита вплоть до 1000 °С. Использование этих элементов одновременнообеспечивает мелкозернистую структуру и снижение критической температуры хрупкости.
Помимо перечисленных дефектов в металле имеются макродефекты объемногохарактера: поры, газовые пузыри, неметаллические включения, микротрещины и т.д. Эти дефекты снижают прочность металла.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Справочник «Металлы и сплавы». Подготовлено по инициативе издательства«Мир и Семья» коллективом ученых и специалистов кафедр металловеденияВоенно-космической академии им. А.Ф. Можайского и Университетанизкотемпературных и пищевых технологий под общей редакцией заслуженногодеятеля науки и техники Российской Федерации, доктора технических наук,профессора Ю.П. Солнцева (2003г)