5. Влияние дефектов кристаллических решеток на свойства материалов.

Влияние дефектов строения на свойства материалов огромно. Например, прочность реальных кристаллов на сдвиг из-за наличия дефектов строения уменьшается на три-четыре порядка по сравне­нию с той же характеристикой идеального кристалла. Влияние дефектов строения на прочностные характеристики металлов не однозначно. Из представленной на рис. 6 зависимости видно, что прочность практически бездефектных кристаллов (так называемых «усов») очень высока. Увеличение количества дефектов строения в 1 см³ приводит к резкому снижению прочности. Точка перегиба кривой характеризует прочность металлов, которые принято называть «чистыми». Дальнейшее увеличение дефектов, например, введением легирующих примесей или методами специального искажения

Р ис. 6. Зависимость проч­ности кристаллического тела от плотности де­фектов строения

кристаллической решетки повышает реальную прочность металлов . Для создания наиболее прочных материалов стараются получить оптимальное количество дефектов. Наибольшее упроч­нение достигается при плотности дислокаций 10¹²—10¹⁸ на 1 см⁸.

Кроме влияния на прочностные характеристики дефекты ре­шетки играют большую роль в процессах диффузии и самодиффу­зии, которые во многом определяют скорости протекания хими­ческих реакций в твердом теле, а также ионную проводимость кристаллов. Дефекты кристаллической решетки, распределенные необходимым образом по объему кристалла, позволяют создавать в одном образце области с различными типами проводимости, что является необходимым при изготовлении некоторых полупровод­никовых элементов.

6. Виды кристаллических решеток сплава.

В зависимости от температуры и давления многие металлы могут образовывать различные типы кристаллических решеток. Эта способность металлов носит название полиморфизма или алло­тропии. Полиморфные превращения свойственны таким широко применяемым в машиностроении металлам, как Fe, Ti, Mn, Co, Sn. Полиморфные модификации элементов обычно обозначают, начи­ная с наиболее низкотемпературны, буквами α, β, γ, δ и т. д. Так например: железо при нагреве до температуры 910 °С образует модификацию α-Fe с ОЦК-решеткой, в интервале 910—1400 °С — γ-Fe с ГЦК-решеткой и свыше 1400 °С — δ-Fe с решеткой ОЦК. При этом происходит существенное изменение свойств материала. Это явление широко используют в технике для улучшения обра­батываемости металлов, при их термообработке и других про­цессах.

7. Фазы и виды фаз.

В технике значительно чаще применяют не чистые металлы, а сплавы, состоящие из двух или нескольких элементов, называ­емых компонентами. В качестве компонентов сплавов могут быть как чистые элементы, так и химические соединения. Широкое применение сплавов в качестве машиностроительных материалов можно объяснить тем, что они обладают разнообразным комплек­сом свойств, которые могут быть направленно изменены в зависимости от количества и вида компонентов, а также с помощью термической или других видов обработки.

Рис. 7. Виды кристаллических решеток сплавов.

а — твердый раствор замещения; б — твердый раствор внедрения; в — химическое соединение

При сплавлении ком­поненты образуют в сплаве фазы - однородные объемы, разграниченные друг от друга поверхностями раздела — границами, при переходе через

которые свойства изменяются скачко­образно. В сплавах образуются следующие основные фазы: твер­дые растворы, химические соединения и механические смеси.

Твердые растворы являются наиболее распространенной фазой в металлических сплавах. Характерной особенностью их строения является сохранение кристаллической решетки металла-раствори­теля. Растворенные металлы могут быть распределены в ней в виде твердого раствора замещения (рис. 7, а) в том случае, если у обоих компонентов однотипные решетки, достаточно близкие атомные радиусы и физико-химические свойства, или в виде твердого раствора внедрения (рис. 7, б), если атомный радиус растворенного компонента достаточно мал.

Химические соединения обычно образуются между металлами и неметаллами и обладают свойствами неметаллических включе­ний, а также между металлами. При этом образуется новый тип кристаллической решетки, отличной от решеток составляющих компонентов и обладающий другими свойствами (рис.7, в). При сплавлении компонентов с весьма различными атомными ра­диусами и электрохимическими свойствами взаимная раствори­мость практически отсутствует. В этом случае образуется механи­ческая смесь кристаллов компонентов.

. Как правило, в много­компонентных металлических сплавах можно одновременно встре­тить три вида фаз. Направленным изменением сочетания компонентов в сплавах можно изменять количество дефектов строения и, следо­вательно, управлять физико-механическими характеристи­ками.

Фазовый состав сплавов в зависимости от температуры и концентрации химических компонентов в условиях равновесия обычно изображают на диаграмме состояния .

Сплавы железа и углерода с содержанием углерода до 2,12 % называют сталями, а сплавы железа и углерода с содержанием углерода более 2,12 % называют чугунами.

Структурные составляющие железо­углеродистых сплавов. В зависимости от температуры и концентрации углерода железоуглеродистые сплавы имеют сле­дующие составляющие:.

Аустенит - твердый раствор углеро­да в у-железе с предельной концентрацией углерода 2,14 % при температуре 1147°С; с понижением температуры до 727°С концентрация углерода уменьшается до 0,8 %; сталь со структурой аустенита име­ет высокие пластичность и вязкость. Ау­стенит не магнитен.

Феррит - твердый раствор углерода в а-железе с предельной концентрацией углерода 0,02 % при температуре 727°С; сталь со структурой феррита ферромагнитна вплоть до температуры Кюри 770°С, имеет малую твердость и высокую пластичность.

Цементит - химическое соединение железа с углеродом Fe3C (6,67 % С); ферромагнитен до температуры Кюри 210 °С, имеет высокие твердость и хрупкость.

Перлит - механическая смесь (эвтек-тоид) феррита и цементита, образующаяся при эвтектоидном распаде аустенита (0,8 % С); сталь, имеющая структуру пер­лита ферромагнитна, обладает повышен­ными прочностью и твердостью.

Ледебурит (4,3 % С) - механическая смесь (эвтектика) аустенита и цементита; ниже температуры 727 °С аустенит пре­вращается в перлит, при этом образуется смесь перлита и цементита - превращен­ный ледебурит.

Графит - углерод в свободном со­стоянии, образующийся в чугунах в ре­зультате распада цементита при медлен­ном охлаждении. Графит не магнитен, мягок и обладает низкой прочностью.

8. Механические свойства материалов.

При выборе материала для конструкции исходят из комплекса свойств, которые подразделяют на механические, физико-хими­ческие, технологические и эксплуатационные. К основным меха­ническим свойствам относят прочность, пластичность, ударную вязкость, усталостную прочность, ползучесть, твердость и износо­стойкость. Под прочностью понимают способность материала сопроти­вляться деформации или разрушению под действием статических или динамических нагрузок. При статических нагрузках произ­водят испытания на растяжение, сжатие, изгиб и кручение. Пока­зателем прочности является предел прочности образца испытуемого металла ,приведенного на рис. 9, а.

,

где P - нагрузка, необходимая для разрушения стандартного образца, МН м;

F₀ - площадь поперечного сечения образца в мм .

Упругая пластическая деформация. Деформацией называется изменение размеров и формы металла под действием приложенных сил. Деформация металла бывает упругой, устраняющейся после прекращения действия внешних сил, и пла­стической, остающейся после прекращения действия внешних сил.

При упругой деформации под действием приложенной нагрузки расстояние между атомами в кристаллической решетке изменяется. При растяжении атомы удаляются, а при сжатии сближаются. Изменение межатомного расстояния очень мало и после снятия на­грузки смещенные атомы под действием сил притяжения (после рас­тяжения) и отталкивания (после сжатия) становятся на свои места.

При пластической деформации происходит скольжение (сдвиг) одной части кристалла относительно другой как результат пере­мещения атомов по определенным плоскостям кристаллической решетки. Для того чтобы сдвиг произошел путем одновременного сме­щения одной части кристалла относительно другой, потребовалось бы усилие, в сотни раз превышающее затрачиваемое при деформации реального металла. Как было указано выше, кристалл реального металла имеет ряд деффектов - дислокаций и пластический сдвиг в реальном кристалле есть процесс перемещения дислокаций. В реальном металле число дислокаций очень велико. Образова­ние дислокаций требует значительной энергии, но они легко пере­мещаются. Таким образом, процесс скольжения в кристалле реаль­ного металла происходит не путем одновременного сдвига всей атомной плоскости, а путем перемещения дислокаций вдоль пло­скости скольжения. Следовательно, если в кристалле нет дислокаций, то он обла­дает весьма высокой прочностью, равной теоретической. Это дока­зано созданием и исследованием бездислокационных кристаллов.

Методы испытания механических свойств металлов.

В зависимости от способа приложения нагрузки методы испы­тания механических свойств металлов делят на три группы:

статические, когда нагрузка возрастает медленно и плавно (испытания на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, срез, твер­дость);

динамические, когда нагрузка возрастает с большой скоростью, ударные (испытание на удар);

испытания при повторно-переменных нагрузках, когда она в про­цессе испытания многократно изменяется по величине или по вели­чине и знаку (испытание на усталость).

Необходимость проведения испытания в различных условиях определяется различием в условиях работы деталей машин, инстру­ментов и других металлических изделий.

Испытание на растяжение. Для испытания на растяжение при­меняют цилиндрические или плоские образцы определенной формы и размеров по стандарту. Испытание образцов на растяжение про­водится на разрывных машинах с механическим или гидравличе­ским приводом. Эти машины снабжены специальным приспособле­нием, на котором при испытании (растяжении) автоматически записывается диаграмма растяжения.

Рис.8 Диаграмма растяжения.

Учитывая, что на характер диаграммы растяжения влияет размер образца, диаграмму строят (рис.8) в координатах напряжение σ (в Н/м² или кгс/мм²) — относительное удлинение δ (в %). При испытании на растяжение определяют следующие характе­ристики механических свойств: пределы пропорциональности, упру­гости, текучести, прочности, истинного _{сопротивления} разрыву, относительное удлинение и сужение.

Пределом пропорциональности (условным) σ_пц называется такое напряжение, когда отступление от линейной зависимости между нагрузкой и удлинением достигает такой величины, при которой тангенс угла, образуемого касательной к кривой нагрузка — дефор­мация с осью нагрузок, увеличивается, например, на 25 или 50% по сравнению с первоначальным значением:

,

где Р_пр — нагрузка, соответствующая пределу пропорциональности (условному).

Пределом упругости (условным) σ_уп называется напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,05% от расчетной величины образца и определяется по формуле

где Р_0,05 — нагрузка, соответствующая пределу упругости (услов­ному).

Пределом текучести (физическим) σ_т называется наименьшее напряжение, при котором образец деформируется (течет) без замет­ного увеличения нагрузки:

,

где Р_т - нагрузка, соответствующая пределу текучести (физиче­скому).

Пределом текучести (условным) σ_0,2 называется напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,2 % от расчетной длины образца:

где Р_0,2 - нагрузка, соответствующая пределу текучести (услов­ному).

Пределом прочности (временным сопротивлением) σ_в называется напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке Р_в , пред­шествующей разрушению образца:

Истинным сопротивлением разрушению S_К называется напря­жение, определяемое отношением нагрузки Р_к в момент разрыва образца к площади поперечного сечения F_K образца в шейке после разрыва:

Относительным удлинением δ называется отношение абсолют­ного удлинения, т. е. приращения расчетной длины образца после разрыва к его первоначальной расчетной длине и выражается в процентах:

где l и l₀ - длина образца до и после разрыва соответственно.

Относительным удлинением характеризуется пла­стичность металла— это свойство твердых материалов изменять без разрушения форму и размеры под влиянием нагрузки или напряжений, устойчиво сохраняя образовавшуюся форму и раз­меры после прекращения этого влияния.

Рис.9. Испытания для определения ме­ханических характеристик:

а - предела проч­ности и пластических характеристик; б — ударной вязкости;

в — твердости (по Бринеллю).

образца на копре (рис.9б), на усталостную прочность — опре­деляя прочность при динамических нагрузках определяют по дан­ным испытаний: на

ударную вязкость - (ударом разрушают стандартный образец (рис.9б) на копре) на усталостную прочность определяют способность материала выдерживать, не разрушаясь, боль­шое число повторно-переменных нагрузок, на ползучесть — определяя способность нагретого материала медленно и непре­рывно деформироваться при постоянных нагрузках. Наиболее часто применяют испытания на ударную вязкость, показателем которого является работа, затраченная на разрушение стандартного образца.

,

где А - работа, затраченная на разрушение образца, МНм;

F— площадь поперечного сечения разрушаемого образца, м^а.

где А = РН—Ph, здесь Р —вес маятника, МН; H и h - высота подъема маятника до и после разрушения образца соответственно.

Испытание на твердость.

Твердостью называется способность металла сопротивляться внедрению в него другого, более твердого тела. Определение твердости является наиболее часто применяе­мым методом испытания металлов. Для определения твердости не требуется изготовления специальных образцов, т. е. испытание проводится без разрушения детали.

Существуют различные методы определения твердости — вдав­ливанием, царапанием, упругой отдачей, а также магнитный метод. Наиболее распространенным является метод вдавливания в металл стального шарика, алмазного конуса или алмазной пирамиды. Для испытания на твердость применяют специальные приборы, несложные по устройству и простые в обращении.

Твердость по Бринеллю В поверхность испытываемого металла с определенной силой вдавливают стальной закаленный шарик диаметром 10, 5 или 2,5 мм . В результате на поверхности металла получается отпе­чаток (лунка). Диаметр отпечатка изме­ряют специальной лупой с делениями. Число твердости по Бринеллю записывается латинскими буквами НВ после которых записывается числовой показатель твердости. Например, твердость по НВ 220. Метод Бринелля не рекомендуется применять для металлов твердостью более НВ450, так как шарик может деформироваться и результат получится неправильным. Нельзя также испытывать тонкие материалы, которые при вдавливании шарика продавли­ваются.

Твердость по Роквеллу - испытание на твердость вдавливанием конуса или шарика в поверхность испытываемого металла. Вдавливают алмазный конус с углом 120° или стальной закаленный шарик диаметром 1,59 мм Испытания шариком применяют при определении твердости мягких материалов, а алмазным конусом – при испытании твердых материалов. Число твердости по Роквеллу записывается латинскими буквами HRC после которых записывается числовое значение твердости. Например, твердость по HRC 230.

Твердость по Виккерсу - испытание на твердость вдавливанием пирамиды В поверх­ность металла вдавливают четырехгранную алмазную пирамиду .По нагрузке, приходящейся на единицу поверхности отпечатка, определяют число твердости, обозначаемое HV 140.

Испытание на микротвердость. Это испыта­ние применяют при определении твердости микроскопически малых объемов металла, например твердости отдельных структурных составляющих сплавов. Микротвердость определяют на специаль­ном приборе, состоящем из механизма нагружения с алмазным наконечником и металлографического микроскопа. Поверхность образца подготавливают так же, как и для микроисследования (шлифование, полирование, травление). Четырехгранная алмазная пирамида (с углом при вершине 136°, таким же как и у пирамиды при испытании по Виккерсу) вдавливается в испытываемый материал под очень малой нагрузкой. Твердость определяется величиной или .