12. (Влияние плотности дислокаций на прочностные свойства кристалла)

Плотность дислокаций в кристалле определяется как среднее число линий дислокаций, пересекающих внутри тела площадку площадью 1 м2, или как суммарная длина линий дислокаций в объеме 1 м3

(см-2; м-2)

Плотность дислокаций изменяется в широких пределах и зависит от состояния материала. После тщательного отжига плотность дислокаций составляет 105…107 м-2, в кристаллах с сильно деформированной кристаллической решеткой плотность дислокаций достигает 1015…10 16 м –2.

Плотность дислокации в значительной мере определяет пластичность и прочность материала

Минимальная прочность определяется критической плотностью дислокаций

Дислокации влияют не только на прочность и пластичность, но и на другие свойства кристаллов. С увеличением плотности дислокаций возрастает внутреннее, изменяются оптические свойства, повышается электросопротивление металла. Дислокации увеличивают среднюю скорость диффузии в кристалле, ускоряют старение и другие процессы, уменьшают химическую стойкость, поэтому в результате обработки поверхности кристалла специальными веществами в местах выхода дислокаций образуются ямки.

Дислокации образуются при образовании кристаллов из расплава или газообразной фазы, при срастании блоков с малыми углами разориентировки. При перемещении вакансий внутри кристалла, они концентрируются, образуя полости в виде дисков. Если такие диски велики, то энергетически выгодно “захлопывание” их с образованием по краю диска краевой дислокации. Образуются дислокации при деформации, в процессе кристаллизации, при термической обработке.

(Кривая Одинга)

( Расчет теоретической прочности)

Теоретическая и реальная прочность кристалла

еоретический расчет прочности кристалла впервые был выполнен Я. Френкелем. В основу была положена простая модель двух рядов атомов, которые смещаются относительно друг друга под действием касательного напряжения т (рис. 5.1). При этом предполагалось, что атомы верхнего ряда перемещаются относительно нижнего как одно целое, одновременно. Такой механизм принято называть схемой жесткого сдвига.

На рис. 5.1. межплоскостное расстояние (расстояние между рядами) принято равным а, а расстояние между атомами в направлении скольжения составляет Ь. Под действием сдвигового напряжения х атомные ряды будут смещаться относительно друг друга, попадая в равновесные позиции в таких точках, как А и В, где напряжение сдвига, необходимое для сохранения данной конфигурации, равно нулю. Это напряжение равно нулю также и в случае, когда в обоих рядах атомы располагаются точно друг над другом в положениях С и D. В промежуточных позициях напряжение имеет какие-то конечные значения, которые периодически меняются в объеме решетки. Если под действием сдвигового напряжения смещение составляет х, то напряжение будет являться периодической функцией х с периодом Ъ. В наиболее простой форме эта зависимость может быть представлена в виде синусоидальной кривой (см. рис. 5.1):

х = ksm (2nx/b). (5.1)

Для малых смещений х = klnx/b. Используя закон Гука, величину напряжения сдвига можно представить в ином виде: т = Gx/a, где G — модуль сдвига; х/а — деформация сдвига.

Если приравнять приведенные выражения для х, то; х = Gb/lmi; подставляя это значение х в соотношение (5.1), получим:

х = ksin (2nx/b)

Для малых смещений х = klnx/b. Используя закон Гука, величину напряжения сдвига можно представить в ином виде: т = Gx/a, где G — модуль сдвига; х/а — деформация сдвига. Дальнейшие расчеты приводить не будем.

Если принять, что а =Ь, тогда теоретическое критическое напряжение сдвига приближенно равно G/2n. Например, для кристаллов меди G = 46 ООО МПа, следовательно, теоретическое значение т = 7320 МПа. В то же время для реальных кристаллов меди наблюдаемое сопротивление сдвигу составляет всего лишь 1,0 МПа. Таким образом, теоретическое значение прочности на несколько порядков выше действительной величины.

Уточнение приведенного выше расчета путем использования более близкого к действительности закона периодического изменения т в зависимости от х приводит к выражению ткр = G/30 (расчет по Маккензи), что также на несколько порядков превышает реальное сопротивление сдвигу. .

http://nwpi-fsap.narod.ru/lists/materialovedenie_lect/2.html

http://mgyie.ru/index.php?option=com_remository&Itemid=30&func=select&id=17http://window.edu.ru/library/pdf2txt/396/67396/40519/page2расчет прочности

13.Поверхностные и объемные дефекты кристаллического строения.

http://www.trastcomp.ru/poverxnostnye-defekty-kristallicheskogo-stroeniya/!

http://www.tyap-lyap.org/metall/stroenie.shtml

14.Экспериментальные закономерности пластической деформации.

Механические свойства и их характеристики.

Механические свойства характеризуют способность металлов и сплавов сопротивляться действию приложенных к ним нагрузок, а механические характеристики выражают эти свойства количественно. Основными свойствами металлических материалов являются; прочность, пластичность (или вязкость), твердость, ударная вязкость, износоустойчивость, ползучесть и др. Механические характеристики материалов определяются при механических испытаниях, которые в зависимости от характера действия нагрузки во времени делятся на статические, динамические и повторно-переменные. В зависимости от способа приложения внешних сил (нагрузок) различают испытания на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, ударный изгиб и т. п. Основные механические характеристики металлов и сплавов. Временное сопротивление (предел прочности, предел прочности при растяжении— условное напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца. Истинное сопротивление разрыву (действительное напряжение) — напряжение, определяемое отношением нагрузки в момент разрыва к площади поперечного сечения образца в месте разрыва. Предел текучести (физический) — наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения растягивающей нагрузки. Предел текучести (условный) — напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,2% длины участка образца, удлинение которого принимается в расчет при определении указанной характеристики.

Предел пропорциональности (условный)— напряжение, при котором отклонение от линейной зависимости между нагрузкой и удлинением достигает такой величины, что тангенс угла наклона, образованного касательной к кривой деформации (в рассматриваемой точке), с осью нагрузок увеличивается на 50% своего значения на линейном упругом участке. Допускается увеличение тангенса угла наклона на 10 или 25%. Предел упругости— условное напряжение, соответствующее появлению остаточной деформации. Допускается определение предела упругости с допусками до 0,005%, тогда соответственно будет обозначаться. Относительное удлинение после разрыва— отношение приращения длины образца после разрыва к его первоначальной расчетной длине. Различают относительные удлинения, полученные при испытании на образцах с пятикратным и десятикратным отношением длины к диаметру. Допускаются и другие отношения, например 2,5, при испытании отливок. Относительное сужение после разрыва — отношение площади поперечного сечения образца в месте разрыва к начальной площади его поперечного сечения. Указанные характеристики механических свойств определяются при испытании материалов на растяжение по методам, изложенным в ГОСТ 1497—61, на цилиндрических и плоских образцах, формы и размеры которых установлены тем же стандартом. Испытания на растяжение при повышенных температурах (до 1200°С) установлены ГОСТ 9651—73, на дли-тельную прочность— ГОСТ 10145—62. Модуль нормальной упругости— отношение напряжения к соответствующему ему относительному удлинению при растяжении (сжатии) в пределах упругих деформаций (закон Гука). Ударная вязкость— механическая характеристика вязкости металла — определяется работой, расходуемой для ударного излома на маятниковом копре образца данного типа и отнесенной к рабочей площади поперечного сечения образца в месте надреза. Испытания при нормальной температуре проводятся по ГОСТ 9454—60, при пониженных — по ГОСТ 9455—60 и при повышенных — по ГОСТ 9656—61. Предел выносливости (усталости) —максимальное напряжение, при котором материалы образца выдерживают без разрушения заданное количество симметричных циклов (от +Р до — Р), принимаемое за базу. Количество циклов задается техническими условиями и представляет большое число. Методы испытания металлов на выносливость регламентируются по ГОСТ 2860—65. Предел прочности при сжатии — отношение разрушающей нагрузки к площади поперечного сечения образца до испытания. Условный предел ползучести— напряжение, вызывающее заданное удлинение образца (суммарное или остаточное) за установленный промежуток времени при заданной температуре.  Твердость по Бринелю - определяется на твердомере ТШ путем вдавливания стального закаленного шарика р. испытуемый металл или сплав. Твердость по Роквеллу HRA, HRB и HRC определяется вдавливанием в металл стального шарика диаметром ~ 1,6мм или конуса.(алмазно или твердосплавного) с утлом при вершине 120° на твердомере ТК. В зависимости от условий определения, которые стандартизованы ГОСТ 9013—68, различают три значения HR: HRA — для очень твердых материалов (шкала А) — испытание производится вдавливанием алмазного конуса; HRB — для мягкой стали (шкала В) — стального шарика; HRC — для закаленной стали (шкала С) — твердосплавного или алмазного конуса. Глубина проникновения алмазного конуса при испытаниях в металле небольшая, что позволяет испытывать более тонкие изделия, чем при определении твердости по Бринелю, Твердость но Роквеллу является условной характеристикой, значение которой отсчитывается по шкале прибора. Твердость по Виккерсу HV определяется вдавливанием алмазной стандартной правильной четырехгранной пирамиды. Определение числа твердости производится путем измерения длины диагоналей (среднее арифметическое суммы двух диагоналей) и пересчета по формуле Стандартными нагрузками в зависимости от толщины образца приняты 5, 10, 20, 30, 50 и 100 кгс. Выдержка времени под нагрузкой берется для черных металлов 10—15 секунд, для цветных — 28—32. Соответственно символ HV 10/30-500 означает: 500 — число твердости; 10 — нагрузку и 30 — время выдержки. Метод Виккерса применяется для измерений твердости деталей малых сечений и твердых тонких поверхностных слоев цементированных, азотированных или цианированных изделий.

Деформация. Упругая и пластическая деформация. Механизм пластической деформации.Деформация(Д) – изменение формы и размеров тела под действием напряжений.Упругая Д(УД) – Д, возникающая при сравнительно небольших напряжениях и исчезающая после снятия нагрузки. Остаточная илипластическая Д(ПД) – Д, кот сохраняется после снятия нагрузки. Принапряжения Д может заканчиваться разрушением. На диаграмме растяжения(стр 48 рис 2.1)УД характеризуется линией ОА. Выше А нарушается пропорциональность м/ напряжением и Д. Рост напряжения приводит не тлк к УД, но и к остаточной ПД. УД и ПД в своей физической основе отличаются.Механизм УД. При УД происходит обратимое смещение атомов из положений равновесия в крист решётке. УД не вызывает заметных остаточных изменений в структуре и свойствах м. После снятия нагрузки сместившиеся атомы под действиемFпритяжения (при растяжении) или отталкивания (при сжатии) возвращаются в исх равновесное положение, и кристаллы приобретают первоначальную форму и размеры. Упругие св-ва материалов определяются силами межатомного взаимодействия.Механизм ПД. В основе ПДнеобратимое перемещение одних частей кристалла относит др. После снятия нагрузки исчезает тлк упругая составляющая Д. Пластичность (способность М перед разрушением претерпевать значительную ПД) явл одним из важнейших св-в М. Благодаря пластичности ообработка М давлением. Пластичность позволяет перераспределять локальные напряжения равномерно по всемуVМ, чтоопасность разрушения. Для М хар-но большее сопротивление растяжению или сжатию, чем сдвигупроцесс ПД представляет собой процесс скольжения одной части кристалла относит др по кристаллографической плоскости или плоскостям скольжения с более плотной упаковкой атомов, где наименьшее сопротивление сдвигу. Скольжение ов рез-те перемещения в кристалле дислокаций. В рез-те скольжения кристаллическое строение перемещающихся частей не меняется.(рис 2.2) Др механизмом ПД явлдвойникование, кот о$за счёт сдвига; происходит сдвиг части кристалла в положение, соответствующее зеркальному отображению несдвинутой части.(Рис 2.3)Двойникование сопровождается прохождением дислокаций сквозь кристалл. При Д двойникованием напряжение сдвига выше, чем при скольжении. Двойники возникают тогда, когда скольжение затруднено. Д двойникованием обычно набл при низкихtи высокихприложения нагрузки, т.к. в этих случаях для скольжения необходимо высокое напряжение сдвига. Двойники более характерны для М с ГП решёткой (Ti,Mn,Zn). Величина напряжения, необходимого для о$ПД, зависит отдеформирования иt. Сдеформирования достижение заданной Д требует больших напряжений, а приtзначение необходимых напряжений. Т.о, ПД явл термически активируемым процессом. Приtпредел текучести большинства М. М с ГЦК решёткой имеют значительно меньшую зависимость предела текучести отt, чем М с др типами решёток.

20.Упругая и пластическая деформация.Механизмы пластической деформации.Под воздействием приложенных из вне нагрузок металлы могут деформироваться в упругой области (без остаточных явлений), а именно без изменения размеров и деформироваться пластически, когда изменяется форма и размеры деформируемого металла.

Упругая деформация характеризуется двумя модулями: модуль Гука (модуль нормальной упругости) и модуль Юнга (модуль касательной упругости). В модуле Гука атомы стремятся по нормали, во втором случае – по касательной.

Естественно, учитывая силы межатомного взаимодействия, модуль Гука будет в несколько раз больше модуля Юнга и они не являются структурно-чувствительными свойствами.

Пластическая деформация может проходить по двум механизмам: скольжения и двойникования.

При реализации механизма скольжения часть кристалла смещается по отношению к другой под воздействием напряжений, превышающих критическую величину.

При чем это скольжение осуществляется по так называемым плоскостям скольжения. Каковыми являются плоскости наиболее упакованные атомами.

Деформация по механизму двойникования заключается в смещении одной части кристаллов в зеркальное отражение по отношению к другой по, так называемым, плоскостям двойникования. Точнее в этом случае смещение происходит за счет разворота части кристаллической решетки.

Деформация двойникования также как и скольжения осуществляется при прохождении дислокации через кристалл. Практически любой металл деформируется сразу по двум механизмам с преобладанием какого-либо одного.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

30. Механические свойства металлов, определяемые при статических, динамических и циклических испытаниях. Под механическими свойствами понимают характери­стики, определяющие поведение металла (или другого материала) под действием приложенных внешних механических сил. К механическим свойствам обычно относят сопротивление металла (спла­ва) деформации (прочность) и сопротивление разрушению (пла­стичность, вязкость, а также способность металла не разрушаться при наличии трещин). В результате механических испытаний получают числовые значения механических свойств, т. е. значения напряжений или деформаций, при которых происходят изменения физического и механического состояний материала. При оценке механических свойств металлических материалов различают несколько групп их критриев. 1. Критерии, определяемые независимо от конструктивных особенностей и характера службы изделий. Эти критерии нахо­дятся путем стандартных испытаний гладких образцов на рас­тяжение, сжатие, изгиб, твердость (статические испытания) или на ударный изгиб образцов с надрезом (динамические испытания). Прочностные и пластические свойства, определяемые при ста­тических испытаниях на гладких образцах хотя и имеют важное значение (они входят в расчетные формулы) во многих случаях не характеризуют прочность этих материалов в реальных усло­виях эксплуатации деталей машин и сооружений. Они могут быть использованы только для ограниченного числа простых по Форме изделий, работающих в условиях статической нагрузки при температурах, близких к нормальной. 2. Критерии оценки конструктивной прочности материала, которые находятся в наибольшей корреляции со служебными свойствами данного изделия и характеризуют работоспособность материала в условиях, эксплуатации. Критерии конструктивной прочности металлических материа­лов можно разделить на две группы: а) критерии, определяющие надежность металлических ма­териалов против внезапных разрушений (вязкость разрушения, работа, поглощаемая при распространении трещин, живучесть и др.)- В основе этих методик, использующих основные положения механики разрушения, лежат статические или динамические ис­пытания образцов с острыми трещинами, которые имеют место в реальных деталях машин и конструкциях в условиях эксплуата­ции (надрезы, сквозные отверстия, неметаллические включения, микропустоты и т. д.). Трещины и микро несплошности сильно ме­няют поведение металла под нагрузкой, так как являются кон­центраторами напряжений; б) критерии, которые определяют долговечность изделий (сопротивление усталости, износостойкость, сопротивление корро­зии и т. д.).

Критерии оценки прочности конструкции в целом (кон­струкционной прочности), определяемые при стендовых, натур­ных и эксплуатационных испытаниях. При этих испытаниях вы­является влияние на прочность и долговечность конструкции таких факторов, как распределение и величина остаточных напряжений, дефектов технологии изготовления и конструирования металло­изделий и т. д. Для решения практических задач металловедения необходимо определять как стандартные механические свойства, так и критерии конструктивной прочности.

Если специально приготовленный образец подвергнуть растяжению на машине и записать на диаграммной ленте все изменения, которые будут происходить с ним, то получим кривую, которая называется кривой растяжения.

Впервоначальный момент образец растягивается без деформации, т.е. в упругой области. Это имеет место при напряжениипц. При растяжении большем пц. Пропорциональность степени напряжения и деформации нарушается. пц – получила название предел пропорциональности, который равен: пц=Рпц/Fо, Мпа При деформации металла, в процессе повышения нагрузки, на кривой растяжения может появиться площадка, нагрузка при которой металл деформируется без приложенных дополнительных усилий, называется пределом текучести (физический): т=Рт./F о, МПа

Деформированием сплавов, у которых отсутствует площадка текучести вводят характеристику, называемую условным пре­делом текучести. 02 – это усилие, которое вызывает остаточную деформацию 0,2%; в – предел прочности на растяжение – это максимальная нагрузка, предшествующая разрушению образца. Помимо характеристик прочности из кривой растяжения можно выделить характеристики пластичности:  - относительное удлинение;  - относительное сужение К характеристикам прочности материалов относятся также и твердость. Под твердостью понимается сопротивление материалов проникновению в него посторонних тел (индентора).

Из наиболее распространенных методов измерения твердости металлических материалов можно выделить метод измерения твердости по Бренеллю, по Роксвеллу и по Виккерсу. В случае если необходимо измерить твердость отдельных структурных составляющих, применяют метод измерения микро-твердости.

Твердость по Бренеллю измеряют на прессе Бренелля. В качестве индентора применяют шарик 5-10 мм. К индентору прилагается нагрузка. После снятия нагрузки в месте вдавливания появляется лунка. С помощью лунки измеряют диаметр лунки и затем по соответствующим таблицам переходят от диаметра к числу твердости. Твердость по Бренеллю обозначается НВ. Этот метод измерения твердости используется для измерения твердости сравнительно мягких металлов.

Измерение твердости по Роксвеллу проводят на приборе – твердометр Роксвелла. В качестве индентора используют шарик или алмазную пирамиду. Нагрузка на индентор 60,100 и 150 кг. В случае приложения 60 и 150 кг индентором служит алмазная пирамида, при 100 кг – шарик. Обозначение твердости по Роксвеллу если индентор 60 кг – HRA, 100 кг – HRB, 150 – HRCэ.

Твердость по Виккерсу определяется на приборе Виккерса. В качестве индентора используют алмазную пирамидку. Нагрузка на индентор измеряется в граммах. Твердость определяется на специально приготовленных образцах микрошлиф.

После вдавливания и снятия нагрузки с индентора в микрошлифе остается лунка. С помощью линейку, встроенной в окуляр прибора и затем с помощью специальных таблиц переходят от диагонали отпечатки к числу твердости по Виккерсу HV.

Если необходимо измерить твердость отдельных структурных составляющих, используют метод измерения микро-твердости на ПМТ-приборах.

В качестве индентора также используют алмазную пирамидку. Нагрузка на индентор измеряется в граммах. Твердость опре­деляют на микрошлифах. При увеличении в 400 раз на микрошлифах находят ту структурную составляющую, твердость которой необходимо определить. Под действием нагрузки индентор вдавливается в эту структурную составляющую и оставляет в ней отпечаток. После снятия нагрузки проводят измерение диагонали отпечатка и затем по таблицам переходят к числу твердости.

Ударная вязкость является динамической характеристикой. Образец помещается в крепление и с определенной высоты на него падает маятник, работа тратиться на разрушение образца; ударная вязкость обозначается КСU или КС. Обозначение зависит от формы образца, если образец с подрезом (U-образным), то принимается первое обозначение, если без надреза – второе. С надрезом изготавливаются образцы сравнительно вязких материалов, без надреза – хрупких материалов.

-----------------------------http://normis.com.ua/index.php?option=com_content&view=article&id=23&Itemid=30---------------------------------------------------------------------------------------------------------

15.Механизмы пластической деформации: скольжение, двойникование, механизм теоретической прочности, механизм диффузионной ползучести.

20.Упругая и пластическая деформация. Механизмы пластической деформации.Под воздействием приложенных из вне нагрузок металлы могут деформироваться в упругой области (без остаточных явлений), а именно без изменения размеров и деформироваться пластически, когда изменяется форма и размеры деформируемого металла.

Упругая деформация характеризуется двумя модулями: модуль Гука (модуль нормальной упругости) и модуль Юнга (модуль касательной упругости). В модуле Гука атомы стремятся по нормали, во втором случае – по касательной.

Естественно, учитывая силы межатомного взаимодействия, модуль Гука будет в несколько раз больше модуля Юнга и они не являются структурно-чувствительными свойствами.

Пластическая деформация может проходить по двум механизмам: скольжения и двойникования.

При реализации механизма скольжения часть кристалла смещается по отношению к другой под воздействием напряжений, превышающих критическую величину.

При чем это скольжение осуществляется по так называемым плоскостям скольжения. Каковыми являются плоскости наиболее упакованные атомами.

Деформация по механизму двойникования заключается в смещении одной части кристаллов в зеркальное отражение по отношению к другой по, так называемым, плоскостям двойникования. Точнее в этом случае смещение происходит за счет разворота части кристаллической решетки.

Деформация двойникования также как и скольжения осуществляется при прохождении дислокации через кристалл. Практически любой металл деформируется сразу по двум механизмам с преобладанием какого-либо одного.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Пластическая деформация твердых тел (ползучесть) может происходить двумя принципиально разными механизмами: дислокационным и диффузионным. Первый механизм реализуется за счёт движения в объёме кристаллов дислокаций и других дефектов решётки и не требует термической активации.

Диффузионный механизм реализуется путем перемещения вакансий и характерен для повышенных температур.

Кроме того в качестве дополнительного механизма выделяется скольжение по границам зерен.

…

Основными механизмами сдвиговой пластической деформации кристаллических тел являются скольжение и двойникование. Скольжение-это такое перемещение одной части кристалла относительно другой, при котором кристаллическое строение обеих частей остается неизменным. Скольжение происходит, когда касательное напряжение в плоскости скольжения достигает определенного значения для данного материала - так называемого сопротивления сдвигу. В области сдвига кристаллическая решётка остается такой же, как и в обеих частях кристалла, и каждый атом в этой области перемещается на одинаковые расстояния, составляющие целое число периодов повторяемости решётки. Отполированная поверхность кристалла после деформации скольжением при рассмотрении в оптическом микроскопе оказывается покрытой одной или несколькими системами параллельных тонких линий, называемых линиями скольжения. Эти линии представляют собой ступеньки на поверхности, возникающие в результате сдвига кристалла вдоль плоскости, которая и называется плоскостью скольжения, а направление сдвига в этой области -направлением скольжения. Комбинация данной плоскости и направления скольжения в ней составляет систему скольжения.