6. Механические свойства.

Тепловые и электрические свойства твердых тел, как мы знаем из предыдущих лекций, определяются подсистемой электронов и подсистемой фононов. Взаимодействие частиц и квазичастиц этих систем между собой и с дефектами кристаллической решетки определяют их параметры. Однако существуют свойства, которые зависят практически только от дефектов кристаллической решетки их типа и плотности (концентрации). К ним относятся механические свойства.

Механические свойства твердых тел определяют способность этих тел сопротивляться деформации и разрушению под действием внешних сил.

К механическим свойствам относятся модули упругости, предел пропорциональности и предел упругости. Существует и еще один параметр – прочность, который характеризует предел текучести, предел прочности, твердость и разрушающее напряжение.

Пластичность материалов определяет относительное удлинение (укорочение) и поперечное сужение (уширение) при статических нагрузках или испытаниях на растяжение (сжатие). Однако в условиях эксплуатации могут существовать и динамические нагрузки, при которых внешние силы изменяются по величине (как увеличиваются, так и уменьшаются) во времени. Здесь говорят об ударной вязкости, если эти изменения происходят периодически, то можно говорить о циклических действиях ( циклических испытаниях). В этих условиях вводят такие параметры как предел усталости и усталостную прочность.

6.1. Деформация растяжения

Рассмотрим кристалл, который под действием внешней нагрузки в разрывной машине, как показано на рис.6.1 испытывает растяжение (справедливо и для других видов деформаций).

F

2

1

2

F

Рис. 6. 1 Схема испытаний. 1 – испытуемый кристалл, 2 - цанги

Испытуемый кристалл 1 закреплен в цангах 2 и к ним приложена растягивающая внешняя сила F. Величина этой силы, деленная на площадь поперечного сечения S кристалла, называется напряжением.

. (6.1)

Под действием напряжения происходит удлинение кристалла на некоторую величину х, которое, будучи нормированным на начальную длину х₀, представляет собой относительное изменение длины.

.

Вообще же изменение длины тела под влиянием внешних напряжений есть деформация. Деформация может быть упругой, т.е. исчезающей после прекращения внешних воздействий, и пластической, т.е. остаточной. В области упругих деформаций существует линейная связь напряжения и деформации

   . (6.2.)

Коэффициентом пропорциональности служит модуль упругости или модуль Юнга Е. Само это выражение (6.2.) есть закон Гука. Для изотропных тел модуль упругости – постоянная величина. Для анизотропных модуль упругости зависит от направления, в котором происходит деформация решетки, т.е. зависит от координат. Величина отношения максимального значения Е к наименьшему для одного и того же кристалла характеризует анизотропию его. Модуль упругости также зависит от природы атомов тела и их взаимного расположения. Изменить его можно только путем изменения состава или внутренней кристаллической структуры. При этом изменение величины модуля малозаметно. Введение в металл значительных количеств легирующих добавок, а также проведение его термической обработки или холодной деформации (проката, протяжка через фильеры) сильно увеличивают твердость и другие механические параметры, а вот модуль упругости изменяется незначительно (менее 10 %).

С ростом внешней силы (см. рис.6.2) растет напряжение (6.1) и деформация. Однако наступает некоторый момент в процессе роста величины , когда достигается некоторая характерная величина =_s, за которой следует в большинстве металлических материалах при криогенных температурах возникновение остаточной (пластической) деформации _ост . Напряжение _s называется пределом текучести, а область ОА – областью упругой деформации,

На кривой зависимости (), как показано на рис. 6.2, начиная с ( )А наблюдается отклонение от прямой пропорциональности участок АВ в этом случае материал считается пластичным.

В некоторых же материалах после области упругой деформации происходит его разрушение, на кривой () наблюдается резкий излом, что свидетельствует о хрупком разрушении. У хрупких материалов предел упругости равен пределу прочности, в то время как у материалов с пластической деформацией предел прочности превышает предел упругости и поэтому разрушение наступает после пластической деформации.

Для объяснения пластической деформации существуют несколько моделей. Среди них дислокационная, дисклинационные и другие. В дислокационной модели пластичность рассматривается как основной фактор перемещения дислокаций путем скольжения или переползания. При приложении внешнего напряжения вследствие наличия упругого поля дислокаций, возникает сила, действующая на нее. Сдвиг в плоскости скольжения происходит последовательно по мере ее движения. Все это обусловливает для ряда кристаллов небольшое напряжение (напряжение Пайерлса - Набарро при Т = 0 К). При температурах выше абсолютного нуля движение дислокаций может ускоряться за счет термически активированного преодоления дислокациями барьеров Пайерлса. Размножение дислокаций в процессе пластической деформации осуществляется по различным механизмам, в том числе за счет источников Франка-Рида, которые рассмотрены в разделе 2. В рамках этой модели находят объяснение эффекты упрочнения легированием, дисперсионное упрочнение и многие другие.

Кроме сдвиговой деформации, только что рассмотренной, существует пластическая деформация, которая может осуществляться диффузионным и ротационным механизмами. Носителем диффузионной пластичности являются точечные дефекты и в основном вакансии, а в ротационном механизме – дисклинации. Диффузионный механизм – это механизм необратимого изменения формы кристаллического тела под действием внешней силы. Он осуществляется при высоких температурах, когда точечные дефекты (вакансии и межузельные атомы) способны к диффузионному движению. Источниками и стоками их могут служить границы зерен, краевые дислокации и др. Причиной возникновения диффузионных потоков служит неоднородность внешних сил на поверхности образца.

В ротационной модели принимаются во внимание взаимные развороты микрообъемов кристалла. В твердом теле такой поворот идет за счет зарождения и перемещения линейных дефектов – дисклинаций. В отличие от линейных дефектов решетки – дислокаций, наблюдается много видов дисклинаций. Самые мелкие – дисклинационные петли имеют диаметр несколько , а большими размерами в несколько микрон – фрагменты и мелкие зерна.

Зарождение дисклинаций происходит в условиях высокой плотности дислокаций. Примеры дисклинаций приведены на рис.6.3. В ряде случаев процессы деформации металлических материалов могут быть описаны как в рамках дислокационной модели пластической деформации, так и в рамках дисклинационной модели пластической деформации.

Рис. 6. 3

Дисклинация кручения (а, б) и клиновая дисклинация (в) вдоль оси сплошного цилиндра.

Отметим, что при низких температурах механические свойства металлических материалов зависят от типа кристаллической решетки. Так в металлах и сплавах с гранецентрированной кубической решеткой (ГЦК- решеткой) такихкак медь, серебро, алюминий, свинец, никель, аустенитные стали и др. с понижением температуры, вплоть до температуры жидкого гелия сохраняется их пластичность при некотором росте прочности. В этой области температур, хотя ползучесть и имеет место, но ее скорость слабо зависит от температуры. В металлических материалах с объемно - центрированной кубической решеткой (ОЦК- решетка), например, вольфраме, молибдене, хроме, углеродистых и малолегированных сталях, а также с гексагональной плотноупакованной решеткой (ГПУ-решеткой), которую имеют берилий, магний, цинк при охлаждении до низких температур величина относительного удлинения (поперечного сужения), а также ударная вязкость, стремится к нулю, что свидетельствует о хрупком их разрушении.

Таким образом, мы отметили, что ряд металлических материалов являющихся пластичными при температуре окружающей среды становятся хрупкими в области низких температур.