1.4.3. Поверхностные дефекты

Металл состоит из множества мелких кристаллов, т. е. имеет поликристаллическое строение. Границы между зернами представляют собой узкую переходную зону шириной 5…15 атомных расстояний (рис. 8, а).

Рис. 8. Схема строения границы между зернами: а – высокоугловая граница; б – граница между блоками (малоугловая граница);  – угол разориентировки соседних блоков

В свою очередь зерно не является монолитным, а содержит большое количество частей, разорентированных относительно друг друга на небольшие (не более 5) углы. Такие части (размером 0,1…1,0 мкм) называются субзернами (см. рис. 8, б), а структура металла – блочной или мозаичной.

На границах зерен и блоков вследствие их разорентировки происхо­дит скопление дислокаций и различных примесей, что оказывает суще­ственное влияние на механические свойства металла.

1.5. Диффузия в металлах и сплавах

Как отмечалось ранее, атомы, находящиеся в узлах кристаллической решетки, непрерывно колеблются около положения равновесия. Некоторые из них приобретают столь большую энергию, что уходят со своего места в межузельное пространство, меняются местами со своими соседями, занимают находящиеся рядом вакансии и т. д. Такое перемещение атомов носит общее название – диффузия.

Различают самодиффузию и гетеродиффузию. Самодиффузия – это процесс перемещения атомов, не связанный с изменением концентрации компонентов в отдельных объемах. Гетеродиффузия сопровождается изменением концентрации. Как правило, она происходит в сплавах с повышенным содержанием примесей. Имеется несколько механизмов диффузии: обменный, циклический, вакансионный, межузельный и др.

При обменном механизме два соседних атома обмениваются местами (рис. 9, а). При циклическом механизме диффузия протекает совместным перемещением группы атомов (рис. 9, б).

Для металлов наиболее вероятным является вакансионный механизм диффузии (рис. 9, в), при котором вакансии кристаллической решетки занимаются расположенными рядом атомами.

Рис. 9. Механизмы диффузии атомов: а – обменный; б – циклический; в – вакансионный; г – межузельный

При межузельном механизме диффузии (см. рис. 9, г) наблюдается переход атома из одного межузлия в соседнее. Такой механизм характерен для компонентов с малым атомным радиусом. Например, диффузия атомов углерода, азота, водорода в железоуглеродистых сплавах.

Наиболее легко диффузия протекает по границам и на поверхности зерен, где сконцентрированы дефекты кристаллического строения. Существенно увеличивает скорость диффузии повышение температуры. Так при повышении температуры, начиная от комнатной, на каждые 10–15 С коэффициент диффузии возрастает примерно в два раза.

1.6. Деформации и механические свойства металлов

В процессе эксплуатации металлические изделия подвергаются различным видам нагрузок: статическим, динамическим, переменным, растягивающим, сжимающим, изгибающим, скручивающим, срезывающим, сосредоточенным, распределенным, сплошным и др.

Под влиянием внешних нагрузок и различных внутренних физико-механических процессов в металле между частицами возникают внутренние силы (силы упругости), которые оказывают сопротивление деформации.

Значения внутренних сил упругости измеряются напряжениями. Последние зависят от значений приложенных к изделию усилий.

Прочность детали будет обеспечена в том случае, когда действительные напряжения будут меньше или равны допускаемым.

Напряжения могут возникать под действием внешней нагрузки и исчезать после ее снятия или же внутренние, возникающие и уравновешивающиеся без действия внешних сил.

Внутренние напряжения оказывают значительное влияние на свойства металлов и протекающие в них превращения.

Появление внутренних напряжений связано, как правило, с неравномерным распределением деформаций по объему изделия. Так при быстром нагреве или охлаждении из-за неодинакового расширения (сжатия) поверхностных и внутренних слоев появляются тепловые напряжения. Фазовые или структурные напряжения возникают в процессе кристаллизации, при термической обработке вследствие структурных превращений и т. д.

Внутренние напряжения подразделяются на напряжения 1-го рода, возникающие в объеме всего изделия; 2-го рода, возникающие в объеме одного зерна (кристаллита); 3-го рода, возникающие в объемах кристаллической ячейки (субмикроскопические).

Силы, приложенные к изделию, вызывают деформацию металла. Деформация – это изменение геометрии изделия под действием внешних сил, при изменении температуры, влажности, фазовых превращений и др.

Существует два основных вида деформаций – упругие (обратимые) и пластические.

Упругие деформации возникают в том случае, когда под действием приложенных сил происходит незначительное (рис. 10, а) смещение атомов (менее межатомного расстояния). При подобном смещении атомов из положения равновесия нарушается баланс сил притяжения или отталкивания.

Поэтому, после снятия нагрузки, смещенные атомы возвращаются в исходное равновесное положение и кристаллы приобретают свою первоначальную форму и размеры, т. е. влияние упругой деформации на форму, структуру и свойства изделия полностью аннулируется после прекращения действия нагрузки.

П

Рис. 10. Схемы деформаций: а – упругая; б – скольжением; в – двойникованием

ластическая (остаточная) деформация после снятия нагрузки остается, так как связана с перемещением атомов внутри кристаллов на относительно большие расстояния. Она вызывает остаточные изменения формы, структуры и свойств металла без макроскопических нарушений сплошности. Пластическая деформация может осуществляться сколь­жением или двойникованием.

При деформации скольжением (см. рис. 10, б) отдельные части кристалла смещаются относительно друг друга под действием касательных напряжений , достигающих определенной критической величины.

При деформации двойникованием (см. рис. 10, в) происходит перестройка части кристалла в новое положение, зеркально симметричное к недеформируемой части относительно плоскости А–А, называемой плоскостью двойникования.

Пластическая деформация поликристаллического металла протекает аналогично деформации монокристалла, при этом изменение формы изделия происходит в результате пластической деформации каждого зерна. При значительных деформациях, вследствие скольжения, зерна (кристаллы) меняют свою форму из округлой в вытянутую, образуя, так называемую волокнистую структуры. Под воздействием возрастания напряжения до определенного значения, возникает такая остаточная деформация, при которой появляются трещины, а затем и полное разрушение изделия.

От напряжений и способности сопротивляться деформациям в большой степени зависят механические свойства металлов.

К основным механическим свойствам относятся: прочность – сопротивляемость металла деформациям и разрушению; упругость – способность металла восстанавливать свою форму и объем после прекращения воздействия причин, вызывающих деформацию; пластичность – способность металла под действием внешних сил изменять (не разрушаясь) свою форму и размеры и сохранять остаточные деформации после устранения этих сил; твердость – сопротивление металла проникновению в него более твердого тела; ударная вязкость – способность металла сопротивляться действию ударных нагрузок; износостойкость – способность металла истираться от действия сил трения.

Наиболее важные механические свойства материалов определяются при статических и динамических нагрузках.