Несамопроизвольная кристаллизация

⇐ ПредыдущаяСтр 6 из 20Следующая ⇒

Несамопроизвольной называют кристаллизацию на уже имеющихся центрах (нерастворенных частицах примесей) или с помощью поверхностно-активных примесей, которые способствуют измельчению зерна.

Специальное введение в расплав добавок, измельчающих зерно, называют модифицированием, а сами добавки – модификаторами.

Для стали модификаторами, образующими тугоплавкие частицы примесей, являются титан и алюминий, для алюминиевых сплавов – титан и цирконий. Поверхностно-активные модификаторы: для стали – бор, для алюминия – натрий.

Способствуют измельчению зерна механические колебания расплава с ультразвуковой частотой. Так получают пластичные литейные сплавы, не имеющие дендритной структуры.

Лекция 4

Деформация и разрушение металлов

В процессе эксплуатации металл находится под действием различных внешних сил – силы тяжести, давления, трения и т. д. Эти силы создают в металле внутренние напряжения. Напряжения могут возникать также под действием разности температур в изделии и при фазовых превращениях.

На возрастающее напряжение металл реагирует последовательно

1) упругой деформацией;

2) пластической деформацией;

3) разрушением.

Деформацией называют изменение формы и размера тела под действием нагрузок.

Упругая деформация

Упругая деформация исчезает после снятия нагрузки (рис. 20). Изделие возвращается к прежней форме и размерам. Остаточных изменений в структуре не возникает.

а бв

Рис. 20. Схема упругой деформации кристалла:

а – до деформации; б – упругая деформация; в – после деформации

Механизм упругой деформации: под действием внешней силы атомы смещаются из равновесных положений, а после прекращения ее действия возвращаются в прежние положения за счет сил межатомного притяжения или отталкивания.

При смещении атомов относительно друг друга на расстояние d, большее или меньшее d₀, энергия связи E_св уже не будет минимальной, поэтому силы межатомного взаимодействия вернут атомы на прежние места, при этом силы притяжения и отталкивания снова окажутся уравновешены.

Пластическая деформация

Пластическая деформация не исчезает после снятия нагрузки. При возрастании напряжения атомы смещаются на значительные расстояния и занимают новые положения равновесия. Деформация становится необратимой. После снятия нагрузки устраняется только ее упругая составляющая.

Пластическая деформация в кристаллах осуществляется, в основном, скольжением атомных плоскостей относительно друг друга (рис. 21).

а б в г

Рис. 21. Схема пластической деформации идеального кристалла:

а – до деформации; б – упругая деформация; в – упругая и пластическая деформация;

г – после деформации (упругая составляющая исчезла, пластическая осталась)

Под действием силы P произошло смещение верхней части кристалла относительно нижней по плоскости mn. При этом у атома 1 сменился сосед: был 2, стал 4. Кажется, что это скольжение произошло путем одновременного разрыва межатомных связей по всей плоскости скольжения (между атомами 1 и 2, 3 и 4, и т. д.).

Зная энергию связи в кристалле, подсчитали теоретическую прочность (исходя из предположения об одновременном разрыве связей). Она оказалась огромной: в 100-1000 раз больше реальной. (Для железа, например, напряжение сдвига составляет 20 МПа, а по теоретическому расчету получается 13300 МПа.) Пришлось принять другую гипотезу: ввести понятие дефекта кристаллического строения (дислокации) и предположить механизм его перемещения. Тогда теоретическая прочность совпала с реальной.

Механизм пластической деформации: перемещение одной части кристалла относительно другой происходит за счет движения дислокаций.

Изобразим реальный кристалл, содержащий дислокацию (рис. 22). В области дислокации под нагрузкой атомы легко смещаются на расстояния, меньшие, чем межатомное. При этом происходит разрыв всего одной связи, между атомами 4 и 7 (рис. 22, а), зато возникает новая связь между атомами 1 и 7 – и дислокация перемещается на одно межатомное расстояние (рис. 22, б).

а б в

Рис. 22. Схема пластической деформации реального кристалла

Итак, в реальном, содержащем дислокации кристалле атомы смещаются под воздействием нагрузки на расстояния, меньшие межатомного, а дислокации при этом скачком перемещаются на целые межатомные расстояния. Процесс перемещения дислокаций продолжается до выхода на поверхность кристалла (рис. 22, в). Каждая дислокация при этом образует ступеньку шириной в одно межатомное расстояние. Но дислокаций – миллионы, поэтому их движение дает видимую пластическую деформацию всего кристалла (рис. 23).

Рис. 23. Деформация монокристалла, видимая невооруженным глазом

Пластическая деформация поликристалла происходит по такому же механизму (рис. 24). Скольжение идет в каждом зерне по множеству плоскостей, при этом меняется форма каждого зерна, а значит – и всего изделия. После пластической деформации микроструктура имеет характерный вид: зерна вытянуты в направлении действия наибольших напряжений.

Иногда кристаллическая решетка в каждом зерне получает определенную ориентацию относительно действующих напряжений. На рис. 25 это условно показано параллельными осями кристаллов. Такая ориентированная структура называется текстурой.

Скольжение дислокаций происходит легче всего в атомных плоскостях с максимальной плотностью атомов. Их называют плоскостями наилегчайшего сдвига. Расположение этих плоскостей в решетках металлов показано на рис. 26.

в ОЦК (Fe_a) в ГЦК (Fe_g) в ГПУ (Zn, Be)

Рис. 26. Плоскости (заштрихованы) и направления (показаны стрелками)

наилегчайшего сдвига в разных типах решеток

В заключение надо отметить, что скольжение дислокаций не связано с диффузией: нет переноса массы. Оно происходит даже при отрицательных температурах.

Разрушение

Разрушение – это разделение монолитного металла на части.

Разрушение состоит из двух элементарных процессов: 1) зарождение трещины и 2) ее распространение или рост.

Механизм зарождения трещины: скопление движущихся дислокаций перед препятствием.

Препятствиями для движения дислокаций являются:

1) границы зерен (рис. 27, а). Дислокации движутся в определенных атомных плоскостях и не могут продолжать скольжение сквозь границу, так как в соседнем зерне атомные плоскости ориентированы по-другому;

пересечение дислокаций, движущихся в разных плоскостях скольжения (рис. 27, б).

а б

Рис. 27. Зарождение трещин

Около сотни дислокаций, скопившихся перед препятствием, создают трещину опасного размера. Напряжение в зоне дислокаций у границы зерна на 3 порядка больше среднего напряжения в данном сечении.

Распространение трещины может идти:

1) за счет внешних сил, подвода энергии извне. Если убрать внешнюю силу, то разрушение приостанавливается. Это – вязкое разрушение;

2) за счет внутренних напряжений, без подвода энергии извне. Это быстрое, неостановимое разрушение называется хрупким. Осуществляется путем отрыва одного слоя атомов от другого, напряжение у вершины трещины превышает предел прочности металла.

Вид излома, полученного в результате вязкого и хрупкого разрушения показан на рис. 28.

Хрупкому разрушению предшествует малая пластическая деформация, вязкому – значительная.

Зародыши вязкой и хрупкой трещины тоже отличаются: зародыш хрупкой трещины острый, имеет очень маленький радиус при вершине; зародыш вязкой трещи ны – тупой, с большим радиусом.

Расчеты Гриффитса показали, что острая трещина длиной в 1 мкм может в 100 раз снизить предел прочности материала.

Рис. 29. Зародыши трещин

Лекция 5

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 567 8 9 10 Следующая ⇒