Структура деформированных металлов и сплавов
Материаловедение и технология конструкционных материалов являются одн ми з первых инженерных дисциплин, основы которых широко спользуются при курсовом и дипломном проектировании, а также в практ ческой деятельности инженера и бакалавра любого
Матер аловеден е как наука занимается изучением строения материалов, а также связью между химическим составом, структурой свойствами эт х материалов. От успешного развития этой науки зависят решен я так х важных современного машинострое-
, как надежность длительная работоспособность механизмов и
машин, эконом я матер алов, уменьшение массы изделий.
Прогресс в промышленности тесно связан с созданием и освое-
нием новых, наи олее экономичных материалов, обладающих самы-
ми разнообразными механическими и физико-химическими свойст-
1. МЕТОДИЧЕСКИЕ УК З НИЯ ПО ИЗУЧЕНИЮ КУРСА
И ПОДГОТОВКЕ К ВЫПОЛНЕНИЮ
КОНТРОЛЬНОЙ Р БОТЫ
1.1. Металловедение и термическая обработка металлов
1.1.1. Строение Д металлов
Типы кристаллических решеток. Параметр, координационное число решетки. Строение реальных металлов. Несовершенства кристаллических решеток
и их влияние на свойства металлов.
Уясните разницу между строением аморфных и кристаллических тел, а также сущность металлической связи в кристаллической решетке. Установите основные свойства металлов, обусловленные их кристаллическим строением. Разберитесь, какие виды несовершенств (дефектов структуры) существуют в структуре реальных металлов и как они влияют на механические свойства металлов.
1.1.2. Формирование структуры металлов и сплавов при кристаллизации
амодиффузия в металлах и сплавах, ее механизм. Первый закон Фика. Термодинамические основы фазовых превращений. Образование и рост кри- С сталлических зародышей. Кривые охлаждения при кристаллизации. Факторы, влияющие на процесс кристаллизации. Модифицирование жидкого металла.
троение металлического слитка. Полиморфные превращения в металлах.
При рассмотрен процессов диффузии и самодиффузии в металлах необход мо учесть, что при нагреве металлических изделий в
движенмическ ми элементами.
них возн кает тепловое движение атомов, которое в соответствии с первым законом Ф ка предопределяет направление и интенсивность
я эт х атомов при процессах кристаллизации, фазовых превращен й общего насыщен я поверхностных слоев металлов другими хи-
Необход мо понять, что термодинамической причиной фазовых превращен й в структуре металла или сплава является один из част-
ных случаев закона природы: стремление любой системы к
состоянию с наименьшим А запасом энергии (в данном случае свободной энергии). Этой же причиной объясняется переход твердого кристаллического состояния металла при нагреве в жидкое, а затем в газообразное состояние. При анализе процесса кристаллизации жидкого металла рассмотрите влияние, оказываемое Д степенью переохлаждения металла относительно температуры плавления на обе стадии кристаллизации: появление зародышей кристаллов и рост их линейных размеров. Разберитесь, как влияет изменение степени переохлаждения на размер зерна. Уясните, за счет чего введение в жидкий металл модификатора позволяет искусственно воздействовать И на размер зерна металлического слитка. Выясните, какое превращение при изменении температуры металла называется полиморфным.
1.1.3. Пластическая деформация, влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла, механические свойства металлов и сплавов
Пластическая деформация моно- и поликристаллов. Механизм пластической деформации. Влияние пластической деформации на структуру металлов. Холодная и горячая деформация. Наклеп металлов. Влияние нагрева на свойства деформированного металла. Возврат и рекристаллизация.
При изучении пластической деформации металлических изделий необходимо разобраться в дислокационном механизме этого процесса. Этот механизм позволяет объяснить значительные изменения механических свойств металлов при пластической деформации и термообработке. Так, благодаря представлениям о дислокационном механизме удается объяснить, почему величина технической прочности металлов на 2 – 3 порядка меньше их теоретической прочности, выяснить пр ч ны наклепа – упрочнения металлов при холодной пласти-
Рассматр вая вл яние нагрева на структуру и свойства метал-
лов, подвергнутых холодной пластической деформации, обратите
вниман на повышен е характеристик пластичности и вязкости при
рекристалл одновременном сн жен и твердости и прочности по мере увеличения температуры бА этого нагрева. Процессы, которые происходят при этом
нагреве в структуре деформированного металла, получили название зац онных. К ним относятся следующие операции: возврат, пол гон зац я, первичная и собирательная рекристаллизация.
Разбер тесь, как е зменения структуры происходят при этих видах операций рекристаллизации. Выясните, как влияет степень предварительной пластической деформации на протекание указанных рекристаллизационных процессов.
1.1.4. Конструкционные Д металлы и сплавы
Диаграмма состояния «железо – цементит». Компоненты, фазы и структурные составляющие сталей и белых чугунов, их характеристики, условия образования и свойства. Применение правила отрезков и концентраций для количественного анализа сплавов. Влияние углерода на свойства И сталей. Классификация и маркировка углеродистых сталей. Серые, ковкие и высокопрочные чугуны.
Научитесь вычерчивать равновесную диаграмму состояния «железо – цементит» и определять все фазы и структурные составляющие системы на этой диаграмме. Постройте кривые охлаждения сталей (доэвтектоидных, эвтектоидных, заэвтектоидных) и белых чугунов (доэвтектических, эвтектических, заэвтектических). Разберитесь, какие изменения структуры сплавов при этом происходят. При рассмотрении классификации групп железоуглеродистых сплавов (техническое железо, сталь, чугун) уясните, что ввиду различного содержания углерода они имеют разную структуру, обладают разными свойствами и поэтому имеют разные области применения. Разберитесь, как с
помощью правила отрезков для выбранного сплава при заданной температуре определяется количество фаз и содержание углерода в этих фазах.
Научитесь расшифровывать марки углеродистых сталей. Уясните, что технические железоуглеродистые сплавы состоят не только из железа и углерода, но в состав этих сплавов также входят постоянные примеси (марганец, кремний, сера и фосфор), попадающие в сплав при его выплавке. При изучении различных групп чугуна обратите
вниман е на то, что в структуре белого чугуна практически весь угле-
род наход тся в х м чески связанном состоянии, поэтому он облада-
ет очень высокой твердостью, низкой пластичностью и очень трудно
обрабатывается резан ем. В структуре серого, ковкого и высокопроч-
ного чугунов знач тельное количество углерода находится в свобод-
), благодаря чему эти сплавы имеют
более высокую, чем у елого чугуна, пластичность и меньшую твер-
вает хорошую обрабатываемость резанием и
возможность пр менен я этих видов чугуна в качестве конструкци-
онных матер алов.
1.1.5. Теория и технология термической обработки стали
виды термической обработки стали. Превращения в стали
при нагреве. Рост зерна аустенита. Влияние величины зерна на свойства стали. Перегрев, пережог стали. Диаграмма распада аустенита при постоянной темпе-
продолжительности нагрева на строение Д и свойства закаленной стали. Влияние легирующих элементов на превращения при отпуске И . Виды отжига (полный, неполный, изотермический, рекристаллизационный). Область применения, температура нагрева, охлаждающая среда, структура после отжига.
ратуре и непрерывном охлаждении. Механизм перлитного, мартенситного и промежуточного распадов аустенита. Критическая скорость охлаждения. Превращения при нагреве закаленной стали (при отпуске). Влияние температуры и
Нормализация стали. Область применения. Температура нагрева, охлаждающая среда, структура после нормализации.
Закалка стали. Выбор температуры закалки. Скорость охлаждения, закалочные среды, структуры после закалки. Закаливаемость и прокаливаемость. Виды закалки.
Отпуск стали. Виды и назначение отпуска. Температура отпуска, структура после отпуска.
Химико-термическая обработка стали. Назначение, сущность. Термическая обработка. Свойства цементованных, азотированных деталей.
Теория и технология термической обработки стали являются главными вопросами металловедения. Термической обработкой называют процесс обработки металлических изделий путем теплового воздействия с целью изменения их структуры и свойств в заданном направлении. По глубине и разнообразию структурных изменений, получаемых в процессе термической обработки, с ней не могут сравниться ни механические, ни какие-либо другие способы воздействия на металл ческ е сплавы. Термообработку применяют как промежуточную операц ю с целью улучшения технологических свойств (об-
ем, давлением и др.), а также как окончатель-
ную операц ю, провод мую с целью придания стали свойств, обеспе-
чивающ х необход мые эксплуатационные характеристики изделия.
нагрева стали под термообработку необходимо обра-
тить вн ман е на строгий контроль температуры нагрева, которая,
как прав ло, должна на 30 – 50 С превышать температуру соответст-
. При олее высоких температурах нагрева
происход т рост аустенитного зерна стали, который вызывает ухуд-
шение ее механ ческ
х свойств. Разберитесь, что такое действитель-
ное и наследственное зерна стали и от чего они зависят.
При анализе превращений переохлажденного аустенита особое внимание следует о ратить на диаграмму его изотермического распада. Эта диаграмма устанавливает связь между температурой превращения, интенсивностью распада Д и структурой полученных продуктов распада аустенита. Разберитесь в механизме перлитного превращения, имеющего диффузионный характер, бездиффузионного мартенситного превращения и промежуточного превращения, протекающего по смешанному механизму. Четко представьте физический смысл критической скорости закалки стали: это минимальная И скорость охлаждения, необходимая для образования структуры мартенсита. Уясните, что при нагреве закаленной стали структура, полученная при закалке, переходит в термодинамически более устойчивое состояние.
При рассмотрении технологических процессов термообработки необходимо учесть, что при всех ее вариантах сталь, нагретую до аустенитного состояния, подвергают охлаждению со скоростью, варьируемой в широких пределах. После этого получают стальные изделия, имеющие широкий диапазон механических и других свойств. На этом основаны следующие наиболее часто применяемые виды термообработки стали: отжиг, нормализация и закалка. После закалки проводится отпуск стали.
1.4. Формирование структуры деформированных металлов
При конструировании изделий в первую очередь руководствуются механическими свойствами материалов. Механические свойства материалов характеризуют их способность сопротивляться деформированию и разрушению под воздействием различного рода нагрузок. Механические нагрузки могут быть статическими, динамическими и циклическими. Кроме того, материалы могут подвергаться деформации и разрушению как при разных температурах, так и в различных, в том числе агрессивных средах.
Деформацией называется изменение формы и размеров тела под действием напряжений. Деформация, возникающая при сравнительно небольших напряжениях и исчезающая после снятия нагрузки, называется упругой, а сохраняющаяся - остаточной, или пластической. При увеличении напряжений деформация может заканчиваться разрушением.
При упругой деформации происходит обратимое смеще-ние атомов из положений равновесия в кристаллической решет-ке. Упругая деформация не вызывает заметных остаточных из-менений в структуре и свойствах металла. После снятия нагруз-ки сместившиеся атомы под действием сил притяжения (при растяжении) или отталкивания (при сжатии) возвращаются в исходное равновесное положение, и кристаллы приобретают первоначальную форму и размеры. Упругие свойства материалов определяются силами межатомного взаимодействия.
В основе пластической деформации лежит необратимое перемещение одних частей кристалла относительно других. После снятия нагрузки исчезает лишь упругая составляющая де-формаций. Пластичность, т. е. способность металлов перед раз-рушением претерпевать значительную пластическую дефор-мацию, является одним из важнейших свойств металлов. Благодаря пластичности осуществляется обработка металлов давлением. Пластичность позволяет перераспределять локальные напряжения равномерно по всему объему металла, что уменьшает опасность разрушения.
Процесс пластической деформации обычно представляет собой процесс скольжения одной части кристалла относительно другой по кристаллографической плоскости или плоскостям скольжения с более плотной упаковкой атомов, где наименьшее сопротивление сдвигу. Скольжение осуществляется в результате перемещения в кристалле дислокаций. В результате скольжения кристаллическое строение перемещающихся частей не меняется (рис. 1.11.).
Другим механизмом пластической деформации является двойникование. Как и скольжение, двойникование осу-ществляется за счет сдвига, однако в этом случае происходит сдвиг части кристалла в положение, соответствующее зеркальному отображению несдвинутой части (рис. 1.12). Двойники обычно возникают тогда, когда скольжение по тем или иным причинам затруднено. Деформация двойникованием обычно наблюдается при низких температурах и высоких скоростях приложения нагрузки, так как в этих случаях для скольжения необходимо высокое напряжение сдвига. Двойники более характерны для металлов с ГП решеткой ( Ti, Mg , Zn ).
Рис. 1.11. Схема пластической деформации скольжением:
а - исходное состояние; б - упругодеформированное состояние; в - упруго и пластически деформированное состояние; г - состояние после пластической (остаточной) деформации по плоскости АВ; F – усилие.
Рис. 1.12. Пластическая деформация двойникованием: F – уси-лие; АВ - плоскость перемещения
При деформировании поликристаллов отсутствует стадия легкого скольжения, деформация зерен начинается сразу по нес-кольким системам скольжения и сопровождается изгибами и по-воротами плоскостей скольжения. Пока общая деформация мала (порядка 1 %) зерна деформируются неоднородно в силу их разной ориентации по отношению к приложенным нагрузкам.
Изменения микроструктуры при деформировании сводятся к следующему (рис. 1.13).
С ростом степени деформации зерна постепенно вытягиваются в направлении пластического течения. Внутри зерен повышается плотность дефектов. При значительных деформациях образуется волокнистая структура, где границы зерен различаются с трудом ( рис. 1.13, б).
При значительной деформации в металле появляется кристаллографическая ориентация зерен, которая называется текстурой деформации. Текстура деформации – это результат одновременного деформирования зерен по нескольким системам скольжения.
Рис. 1.13. Изменение формы зерен в результате деформации: а, б – схема формы зерен до и после деформации
После снятия нагрузки, превышающей предел текучести, в образце останется остаточная деформация. При повторном нагружении возрастает предел текучести металла и уменьшается его способность к пластической деформации, т. е. происходит упрочнение металла. Упрочнение металла под действием пластической деформации называется наклепом.
Упрочнение при наклепе объясняется существенным повышением плотности дислокаций, характерным для процесса пластической деформации. Плотность дислокаций после холодной деформации увеличивается на несколько порядков по сравнению с плотностью дислокаций отожженного металла, достигая величины 10 11 - 10 12 см -2 . Одновременно в процессе пластической деформации увеличивается количество точечных несовершенств - вакансий и дислоцированных атомов. С ростом плотности дислокаций и несовершенств кристаллического строения затрудняется свободное перемещение дислокаций. Дополнительные барьеры для дислокаций создаются за счет деформации зерен и дробления блоков. Все эти факторы способствуют упрочнению металла при наклепе.
Одновременно в результате пластической деформации существенно изменяются физико-механические свойства металлов. Наклепанный металл имеет меньшую плотность, более высокое электросопротивление, меньшую тепло-проводность; у него падает устойчивость против коррозии. Металлы с ГЦК решеткой при наклепе упрочняются более сильно, чем металлы с ОЦК решеткой.
Наклепанные металлы легче корродируют и склонны к коррозионному растрескиванию. Образование текстуры дефор-мации вызывает анизотропию свойств.
Несмотря на снижение пластичности, наклеп широко используют для повышения прочности деталей, изготовленных методами холодной обработки давлением. Снижение пластич-ности при наклепе улучшает обрабатываемость резанием вязких и пластичных материалов (латуней, сплавов алюминия и др.).
Рост числа дефектов кристаллического строения и возникновение внутренних напряжений в результате наклепа приводит к тому, что свободная энергия металла растет, и он приходит в неравновесное, неустойчивое состояние. Длительная выдержка при комнатной температуре, а тем более нагрев, должны способствовать переходу металла в более устойчивое структурное состояние.
Процессы, происходящие при нагреве, подразделяют на две основные стадии: возврат и рекристаллизацию. Обе стадии сопровождаются выделением теплоты и уменьшением сво-бодной энергии. Возврат происходит при относительно низких температурах, рекристаллизация - при более высоких. Возвратом называют все изменения тонкой структуры и свойств, которые не сопровождаются изменением мик-роструктуры деформированного металла, размер и форма кристаллов при возврате не изменяются. Рекристаллизацией называют зарождение и рост новых кристаллов с меньшим количеством дефектов строения. В результате рекристаллизации образуются совершенно новые, чаще всего равноосные кристаллы. Стадию возврата, в свою очередь, подразделяют на две стадии: отдых и полигонизацию. Отдых при нагреве деформированных металлов происходит всегда, а полигонизация развивается лишь при определенных условиях.
Отдыхом холоднодеформированного металла называют стадию возврата, при которой вследствие перемещения атомов уменьшается количество точечных дефектов, в основном вакансий. В ряде металлов, таких как алюминий и железо, отдых предполагает также переползание дислокаций, которое приводит к заметному уменьшению их плотности. Перераспределение дислокаций сопровождается также уменьшением остаточных напряжений. Отдых вызывает значительное уменьшение удельного электросопротивления и повышение плотности металла. Если при отдыхе уменьшается плотность дислокаций, то наблюдается уменьшение твердости и прочности металла (алюминий, железо); если плотность дислокаций при отдыхе не меняется, то отдых не сопровождается изменением механических свойств (медь, латунь, никель).
При возврате может идти процесс полигонизации. При этом в пределах каждого кристалла образуются новые малоугловые границы. Полигонизация протекает не только при возврате. Она наблюдается также при температуре, значительно превышающей температуру рекристаллизации. Границы возникают путем скольжения и переползания дислокаций (рис. 1.14.). В результате кристалл разделяется на субзерна-полигоны, свободные от дислокаций, а дислокации скапливаются на границах полигонов, образуя стенки. Два полигона, разделенные стенкой (малоугловой границей), состоящей из нескольких краевых дислокацией, схематично показаны на рис. 1.15. Процесс полигонизации происходит после небольших деформаций при нагреве до (0,2-0,3) Тплав.
Рис. 1.14. Распределение дислокаций: а - после пластической деформации; б - после полигонизации
Для некоторых металлов (алюминия, титана, молибдена, вольфрама) в процессе полигонизации происходит заметное понижение прочности и повышение пластичности. Полигонизация холоднодеформированного металла обычно приводит к уменьшению твердости и прочности. В алюминии, молибдене и вольфраме полигонизация протекает с большой скоростью, и субзерна достигают значительных размеров, что вызывает сильное разупрочнение. Некоторые физические свойства (например, электросопротивление) в процессе возврата восстанавливаются практически полностью. Это связано с уменьшением концентрации вакансий и с перераспределением дислокаций.
При последующем нагреве происходит изменение микро-структуры наклепанного металла (рис. 1.16). С ростом темпе-ратуры подвижность атомов растет, и образуются новые зерна вместо ориентированной волокнистой структуры. Образование новых равноосных зерен называется рекристаллизацией.
Процесс рекристаллизации протекает в две стадии. Различают первичную, или рекристаллизацию обработки, и собирательную рекристаллизацию. Рекристаллизацией обра-ботки, или первичной рекристаллизацией, называют процесс образования новых равноосных зерен. Новые зерна возникают на границах блоков и старых зерен, т.е. там, где решетка наиболее искажена при наклепе. В результате первичной рекристаллизации наклеп металла снимается, и свойства приближаются к исходным значениям. Плотность дислокаций также уменьшается до первоначального уровня.
Рис. 1.15. Схема расположения двух полигонов
Температуру начала рекристаллизации называют температурным порогом рекристаллизации. Она зависит от температуры плавления: Трек = αТпл , где α - коэффициент, зависящий от состава и структуры металла. Для технически чистых металлов α = 0.3 - 0.4, для сплавов α = 0.5 - 0.6.
Последующий рост температуры приводит ко второй стадии процесса - собирательной рекристаллизации, состоящей в росте вновь образовавшихся новых зерен. Размер зерен, образовавшихся в процессе рекристаллизации, оказывает большое влияние на свойства металла. Образование крупных зерен снижает его механические свойства.
Рис. 1.16. Схема изменения микроструктуры наклепанного металла при нагреве: а - наклепанный металл; б - начало первич-ной рекристаллизации; в - завершение первичной рекристал-лизации; г - рост зерен; д - образование равновесной структуры
Глава 5. Формирование структуры деформированных металлов
5.1. Пластическое деформирование моно- и поликристаллов
Деформацией называется изменение размеров и формы тела под действием внешних усилий. Деформации подразделяют на упругие и пластические. Упругие деформации исчезают, а пластические остаются после окончания действия приложенных сил. В основе упругих деформаций лежат обратимые смещения атомов металлов от положений равновесия; в основе пластических — необратимые перемещения атомов на значительные расстояния от исходных положений равновесия.
Способность металлов пластически деформироваться называется пластичностью. При пластическом деформировании металла одновременно с изменением формы меняется ряд свойств, в частности, при холодном деформировании повышается прочность. Пластичность обеспечивает конструкционную прочность деталей под нагрузкой и нейтрализует влияние концентраторов напряжений.
5.1.1. Механизм пластического деформирования
Пластическая деформация в кристалле осуществляется путем сдвига одной его части относительно другой. Сдвиг вызывают касательные напряжения, когда их значение превышает критическое т.
Имеется две разновидности сдвига: скольжение и двойниковаиие. При скольжении одна часть кристалла смещается параллельно другой части вдоль плоскости, называемой плоскостью скольжения или сдвига. Двойникование представляет собой перестройку части кристалла в новое положение, зеркально симметричное к его не деформированной части. Плоскость зеркальной симметрии называют плоскостью двойникования. При двойниковании атомные плоскости кристалла сдвигаются параллельно плоскости двоиникования на разные расстояния. Часть кристалла, в которой в результате двоиникования произошла переориентация кристаллической решетки, называют двойником деформации. По сравнению со скольжением двойникование имеет второстепенное значение. Роль двоиникования возрастает, когда скольжение затруднено. В металлах с ОЦК и ГЦК решетками двойникование наблюдается лишь при низких температурах или высоких скоростях деформирования. При нормальных условиях в металлах с ГП решеткой деформация развивается как" двойникованием, так и скольжением. Механизм двоиникования сложен и в дальнейшем не рассматривается.
Скольжение развивается по плоскостям и направлениям, на которых плотность атомов максимальна. Плоскость скольжения вместе с направлением скольжения, принадлежащим этой плоскости, образует систему скольжения. Число систем скольжения неодинаково в металлах с разным типом решеток. У металлов с ГЦК решеткой (Си, Al, Ni и др.) скольжение идет по плоскостям в направлениях < 110 >. Четыре плоскости скольжения и три направления скольжения в каждой из них образуют 12 эквивалентных систем скольжения.
В металлах с ОЦК решеткой скольжение развивается по плоскостям , и в направлениях < 111 >. Число систем скольжения в этом случае составляет 48.
У металлов с ГП решеткой при с/а >= 1, 63 (Mg, Zn) скольжение развивается по плоскости базиса, в которой находятся три эквивалентных направления. Эти металлы менее пластичны, чем металлы с ОЦК и ГЦК решетками. Число систем скольжения может возрасти, если уменьшаются критические напряжения сдвига в других плоскостях.
Элементарный акт сдвига — это смещение одной части кристалла относительно другой на одно межатомное расстояние. В идеальном кристалле в скольжении должны одновременно участвовать все атомы, находящиеся в плоскости сдвига. Для такого синхронного «жесткого» сдвига требуется, как показывают расчеты, критическое касательное напряжение (тау)(критич) = G/2пи ~ 0,16C (G — модуль упругости при сдвиге). Величину (тау)(критич) называют теоретической прочностью кристалла. В реальных кристаллах для сдвига на одно межатомное расстояние требуются напряжения около 10е-4G, что в 1000 раз меньше теоретического значения. Низкая прочность реальных кристаллов обусловлена их структурным несовершенством.
Пластическое деформирование в реальных кристаллах осуществляется путем последовательного перемещения дислокаций. Дислокация легко движется в той плоскости, в которой находятся дислокационная линия и ее вектор Бюргерса.
Перемещение краевой дислокации при сдвиге на одно межатомное расстояние представляет собой согласованную перегруппировку атомов около дислокации и не сопровождается диффузионным переносом массы. Под действием касательного напряжения ряд атомов, образующих дислокационную линию, вытесняет ближайший ряд атомов в соседней плоскости. Этому способствуют упругие искажения кристалла около дислокации, облегчающих разрыв старых и образование новых межатомных связей. При вытеснении ближайшего ряда атомов плоскость кристалла разделяется на две части: одна часть объединяется с избыточной полуплоскостью в целую плоскость, другая — «принимает» дислокацию и становится избыточной полуплоскостью. Перемещаясь каждый раз на величину вектора Бюргерса — одно межатомное расстояние, дислокация, в конце концов, выйдет на поверхность кристалла, и здесь появится ступенька, равная вектору Бюргерса. Так как в плоскости скольжения движутся десятки и сотни дислокаций, то в результате их выхода на поверхность высота ступеньки будет увеличиваться.
Ступенька, видимая под микроскопом, называется линией скольжения. Деформация развивается неоднородно, линии скольжения располагаются на различном расстоянии одна от другой. Группы близко расположенных линий скольжения образуют полосы скольжения.
Структура деформированных металлов и сплавов
В макромасштабе подобная деформация проявляется как остаточное формоизменение. Основным механизмом пластической деформации является внутризеренный сдвиг одних частей кристалла (зерна) относительно других. На атомном уровне такое перемещение осуществляется посредством разнообразных способов движения дислокаций.
Само сдвигообразование может происходить различными механизмами, наиболее важными из которых являются скольжение и двойникование.
А б в
Различные способы деформации кристалла (при действии осевой сжимающей нагрузки):
а - недеформированный кристалл;
б - деформация скольжением;
в - деформация двойникованием
Скольжение - такая разновидность сдвигового перемещения, когда одна часть кристалла как жесткое целое переносится относительно другой, условно принимаемой за неподвижную. После завершения указанного перемещения в обеих частях кристалла полностью восстанавливается прежняя геометрическая координация атомов, т.е. такой сдвиг является трансляционным.
Этот процесс является кристаллографически упорядоченным - происходит по определенным плоскостям и вдоль определенных направлений. Наименьшее сопротивление движению дислокаций со стороны самой решетки оказывается в том случае, когда она скользит
А) по плотноупакованным плоскостям (наиболее удаленным друг от друга) и
Б) вдоль плотноупакованных направлений (там будет наименьший трансляционный вектор - вектор Бюргерса).
Плоскость скольжения и направление скольжения, лежащее в этой плоскости, образуют систему скольжения.
. Двойникование - сдвиг происходит в результате кристаллографической переориентации смещенной части кристалла в положение, являющееся зеркальным (обратным) по отношению к основной (матричной) части. Возникающая двойниковая прослойка (двойник) отличается от матрицы только кристаллографической ориентировкой, но при этом они обе сохраняют одинаковую по уровню симметричности пространственную решетку.
При двойниковании сдвиг смежных плоскостей происходит на расстояние, меньшее величины вектора тождественной трансляции. Однако он (сдвиг) последовательно накапливается за счет одинакового смещения каждой атомной плоскости относительно соседней. При этом двойникование предполагает кооперативное перемещение всех атомов, находящихся в двойниковой прослойке, в такое положение, которое становится зеркально-симметричным по отношению к остальной части кристалла (матрице).
Обычно двойникование идет в тех случаях, когда по тем или иным причинам оказывается затрудненным скольжение. Поэтому оно не является основным видом деформации в тех металлах, которые обладают большим числом систем скольжения (например, с ГЦК решеткой). Напротив, наиболее часто оно наблюдается в металлах, в которых возможности для скольжения весьма ограничены -, скажем, в гексагональных плотноупакованных, где скольжение может идти по единственной базисной системе. Так, монокристалл цинка легко деформируется путем базисного скольжения, если плоскость базиса ориентирована наиболее благоприятным. Но если эта плоскость расположена параллельно или перпендикулярно оси растяжения, то кристалл будет деформироваться другим способом - двойникованием. Двойникованию благоприятствует также деформация при низких температурах и высоких скоростях нагружения. В этих условиях, когда становится затрудненным скольжение, сдвиг реализуется посредством конкурирующего механизма - двойникование. Такую картину можно наблюдать, например, в металлах с ОЦК решеткой - в железе (a-Fe), молибдене, вольфраме, хроме. При отрицательных температурах и ударном нагружении деформация двойникованием возможна даже в металлах с ГЦК решеткой.
Как и скольжение, двойникование является процессом кристаллографически упорядоченным, т.е. происходит по определенным плоскостям и вдоль определенных направлений (соответственно это плоскости и направления двойникования). Для каждого типа кристаллической решетки существует своя система двойникования.
Структура деформированных металлов и сплавов
Структура деформированного материала зависит от таких факторов, как схема и условия деформации, степень обжатия, температура и скорость деформирования, его кристаллическое строение и химический состав. Как отмечалось, холодная пластическая деформация происходит двумя путями - скольжением и двойникованием. При деформации скольжением на предварительно полированных образцах появляются рельефные ступеньки, которые выглядят под микроскопом как прямые параллельные линии в пределах отдельных кристаллитов-зерен (так называемые линии скольжения).
Линии скольжения в железомарганцевом сплаве (х400)
Возможны также ситуации, когда деформация скольжением оказывается затрудненной. В этих условиях деформация может осуществляться за счет развития конкурирующего механизма сдвигообразования - двойникования. В структуре деформированного таким способом образца можно наблюдать тонкие линии деформационных двойников.
Роль химии в жизни человека: Химия как компонент культуры наполняет содержанием ряд фундаментальных представлений о.
Основные идеи славянофильства: Славянофилы в своей трактовке русской истории исходили из православия как начала.
Поиск по сайту
Читайте также: