Кристаллография и деффкты кристаллической решетки

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Кристаллическое строение и свойства металлов

Характерные свойства металлов, например высокие прочность, пластичность, электро- и теплопроводность и другие, обусловлены их строением на межатомном и внутриатомном уровнях.

Металлы являются телами кристаллическими. Это означает, что атомы в занимаемом ими пространстве расположены строго упорядоченно, находясь в определенных местах на вполне определенных расстояниях друг от друга. При этом атомы не перемещаются друг относительно друга, т. е. они имеют постоянных соседей. Находясь на своих местах, атомы вследствие термокинетического эффекта совершают колебания частотой 10¹³ Гц с изменяющейся в зависимости от температуры амплитудой.

В ряде случаев под влиянием локальных тепловых процессов атомы кристаллических тел все же могут перемещаться между соседями в другие положения. Такие перемещения составляют суть явления, называемого диффузией. Диффузия однородных атомов между соседями называется самодиффузией.

Таким образом, сущность кристаллического строения металлов заключается в упорядоченном расположении в них атомов друг относительно друга.

1.1 Основные типы кристаллических решеток

Если соединить атомы воображаемыми линиями в трех взаимно перпендикулярных направлениях, то получится пространственная кристаллическая решетка. Ее наименьшим структурным образованием является элементарная ячейка, контур которой представляет какое-нибудь составленное из атомов геометрическое тело, например куб или шестигранную призму. Ячейки, примыкая друг к другу и многократно повторяясь, образуют более крупные образования -- зерна или кристаллиты.

Ориентировка ячеек в соседних зернах металла различна, а в пределах каждого зерна одинакова. Поэтому в кристаллической решетке зерен существует ближний и дальний порядок. Ближний означает постоянство ближних атомов-соседей у каждого атома, а дальний -- удаленных.

Наиболее простой кристаллической решеткой у металлов является кубическая, имеющая две разновидности: кубическую объемно-центрированную (ОЦК) и кубическую гранецентрированную (ГЦК) (рис. 1.1, а, б). У обоих типов этих решеток основу ячеек составляют восемь атомов, образующих куб и находящихся в его вершинах. Остальные атомы находятся или в центре объема куба (один атом на пересечении диагоналей в решетке ОЦК), или в центре каждой из его граней (шесть атомов в решетке ГЦК). Кристаллические решетки ОЦК имеют альфа-железо, хром, ванадий, вольфрам, молибден, бета-титан и другие металлы. Решетку ГЦК имеют гамма-железо, алюминий, медь, никель, свинец и некоторые другие металлы.

Другой разновидностью кристаллических решеток у металлов является гексагональная плотноупакованная решетка (ГПУ) (рис. 1.1, в). Ячейка этой решетки представляет собой шестигранную призму с центрированными основаниями, между которыми на некотором расстоянии от центров трех граней расположены еще три атома. ГПУ решетку имеют альфа-титан, магний, цинк, кадмий, бериллий и другие металлы.

В ячейках кристаллической решетки всех типов атомы касаются друг друга внешними слоями электронных оболочек. Межатомные силы сцепления, обеспечивающие морфологическую целостность кристаллической решетки, создаются электромагнитным взаимодействием, обусловленным наличием у атомов валентных электронов.

У металлов, находящихся в твердом состоянии, валентные электроны, освобождаясь от своих атомов, движутся между атомами, которые становятся положительно заряженными ионами. Принадлежащие всему зерну и образующие электронный «газ» свободные электроны, взаимодействуя с положительными ионами, обеспечивают целостность кристаллической решетки. Такая межатомная связь в кристаллической решетке получила название металлической. Она может существовать как между одноименными атомами в чистых металлах, так и между разнородными -- в сплавах.

Прочность металла зависит от плотности упаковки era кристаллической решетки и особенностей строения его атомов (особенно валентного и подвалентного слоев электронной оболочки).

Плотность упаковки решетки, главным образом, определяется числом атомов, приходящихся на одну ячейку решетки, и расстоянием между ними (например, у ОЦК два атома на ячейку, а у ГЦК -- четыре).

Наиболее характерным расстоянием является параметр решетки, который равен расстоянию между ближайшими атомами, составляющими грань кристаллической ячейки (см. рис. 1.1, а, б, в). У ОЦК и ГЦК решеток этот параметр одинаков по всем трем направлениям в пространстве, а у ГПУ -- . Параметры кристаллических решеток металлов составляют от 0,2 до 0,7 нм (1нм = м).

Следует помнить, что сила взаимодействия между атомами уменьшается из-за их тепловых колебаний. Результирующая сила взаимодействия тем меньше, чем выше температура.

2. Физико-механические основы обработки давлением

Для правильного выбора машин, проектирования технологических процессов и рациональной геометрии инструмента необходимо знание физико-механических основ обработки давлением. Обработка давлением основана на пластичности материалов, то есть их способности получать пластические деформации. Как упругие, так и пластические деформации осуществляются в твердых телах в результате относительного смещения атомов. При упругих деформациях смещения атомов из положений равновесия небольшие и они увеличиваются пропорционально увеличению сил, вызвавших это смещение (закон Гука). С ростом величины упругих деформаций потенциальная энергия твердого тела возрастает до определенного предела, после чего атомы смещаются на расстояния, больше межатомных, и остаются в новых положениях устойчивого равновесия. Сумма таких смещений создает пластическую деформацию или же остаточное изменение формы и размеров твердого тела в результате действия внешних сил.

Величину формоизменения оценивают степенью деформации ?. Силы взаимосвязи атомов противостоят действию внешних сил, и поэтому твердое тело оказывает сопротивление деформированию. Последнее, характеризуют величиной удельного усилия (напряжения у), вызывающего пластическую деформацию при данных условиях деформирования. Напряжения и деформации в объеме деформируемого тела распределены неравномерно. Напряжения на поверхностях контакта можно рассчитать методами, известными из теории обработки давлением. Если нормальное напряжение у_и (направленное перпендикулярно к контактной поверхности) постоянно по всей поверхности контакта заготовки 1 с инструментом 2 (рис. 29, а) или заменено его средней величиной у_ср в случае у_ср неравномерного распределения <х_н по контактной поверхности, то деформирующее усилие

Р=у F или Р=у_cpF,

где: F - площадь проекции контактной поверхности на плоскость, перпендикулярную к направлению деформирующего усилия. Определение деформирующего усилия требуется для выбора машин для обработки давлением и для расчета инструмента на прочность.

Сопротивление деформированию и пластичность металла зависят от его химического состава, температуры, скорости деформации и схемы нагружения. Так, с повышением содержания углерода и легирующих элементов в стали, ее пластичность понижается, а сопротивление деформированию растет. Повышение температуры приводит к увеличению пластичности металла и снижению его сопротивления деформированию, что часто используют, применяя нагрев заготовок перед обработкой давлением. Повышение скорости деформации (изменение степени деформации в единицу времени) снижает пластичность и увеличивает сопротивление деформированию, однако при очень высоких скоростях (например, при электромагнитной и взрывной штамповке) для многих металлов допустимы чрезвычайно большие степени деформации без разрушения. Схема нагружения, создающая всестороннее неравномерное сжатие заготовки, способствует повышению пластичности металла и его сопротивления деформированию. Поэтому, например, в процессах прессования металл проявляет большую способность к пластической деформации, чем при волочении. металл кристаллический решетка давление

Пластичность, а, следовательно, и технологические возможности обработки давлением следует рассматривать не как неизменное свойство какого-либо материала, а как его состояние, зависящее от условий обработки. Следует создавать комплекс условий (мелкозернистая структура металла, соответствующие температура и скорость деформации), в которых некоторые металлы переходят в состояние сверхпластичности.

Процессы обработки давлением в состоянии сверхпластичности, позволяют осуществлять огромные деформации металлов и сплавов при пониженном сопротивлении их деформированию. При этом несколько технологических операций совмещают в одной операции и для обработки давлением используют менее мощное оборудование. Дальнейшее совершенствование технологии обработки давлением базируется на глубоком изучении природы пластической деформации.

Холодная пластическая деформация металлов возникает в результате изменения формы и размеров зерен (внутрикристаллитная деформация) и их относительного перемещения (межкристаллитная деформация). В первом случае деформирование проходит по самим зернам (рис. 2 а), во втором - по границам зерен. Основную роль в процессах пластического формообразования играет внутрикристаллитная деформация, так как при межкристаллитной холодной деформации возникают повреждения и трещины на границах зерен.

Рис. 2 Схемы деформирования зерен материала

Внутрикристаллитное деформирование происходит в большинстве случаев скольжением. При действии на зерно силы Р (рис. 2, б) на плоскостях, наклоненных к направлению этой силы, возникают касательные напряжения, стремящиеся сдвинуть части зерна относительно друг друга. При достижении критической величины касательного напряжения произойдет скольжение - параллельное смещение тонких слоев кристаллита относительно смежных слоев по плоскостям скольжения (рис. 2, в), которые наблюдаются на поверхности деформированного металла в виде тонких линий. Более глубоко процесс скольжения можно объяснить с помощью теории дислокаций.

Межкристаллитное деформирование - это смещение и взаимный поворот зерен относительно друг друга без нарушения сплошности металла. В результате холодного деформирования зерна металла дробятся и вытягиваются в направлении пластического течения металла, образуя полосчатую микроструктуру. Вместе с зернами вытягиваются и неметаллические включения на их границах, образуя волокнистое строение металла. Искажение кристаллической решетки приводит к возникновению напряжений в металле, изменению механических и физико-химических свойств металла, называемому упрочнением (наклепом). При наклепе возрастает прочность и твердость, снижается пластичность, меняется электропроводность, магнитная проницаемость металла и т. д.

При нагреве холоднодеформированного металла и деформировании нагретого металла в нем происходят разупрочняющие процессы, называемые возвратом и рекристаллизацией. Возврат для чистых металлов проявляется при температуре выше 0,ЗТ_пл и выше. Увеличение амплитуды тепловых колебаний атомов искаженной кристаллической решетки позволяет им вернуться в положение устойчивого равновесия, и остаточные напряжения в металле снимаются. При этом несколько увеличивается пластичность, а полосчатая и волокнистая структура металла не меняется.

Рекристаллизация происходит при увеличении температуры до 0,4Т_пл для чистых металлов. При этом подвижность атомов достаточна для их перегруппировок, приводящих к возникновению и росту новых равноосных зерен с неискаженной кристаллической структурой взамен деформированных. Наклеп полностью снимается, полосчатая структура переходит в равноосную, а волокнистая структура сохраняется, так как вытянутые неметаллические включения не подвергаются рекристаллизации. Если в процессе деформирования рекристаллизация успевает полностью произойти, деформацию называют горячей.

Обработка давлением существенно влияет на свойства материала. Она позволяет улучшить качество литого металла, так как литая дендритная структура преобразуется в относительно мелкое равноосное зерно. При горячей деформации ликвидируются пустоты и микротрещины внутри слитка, уменьшается его ликвация (неоднородность химического состава) вследствие значительных перемещений слоев металла.

Волокнистое строение деформированного металла приводит к анизотропии его свойств (прочность и ударная вязкость металла вдоль его волокон выше, чем поперек), поэтому течение металла при обработке давлением следует направлять так, чтобы волокна совпадали с направлением наибольших напряжений в детали при ее эксплуатации. Например, при изготовлении коленчатых валов штамповкой прочность его на 10ч15% выше прочности вала, полученного обработкой резанием. Для некоторых изделий волокнистость нежелательна. В таких случаях ее устраняют частично или полностью многократным изменением направления течения металла в процессе его деформирования (например, прокаткой листов в продольном, поперечном направлении и по диагонали). Наклеп при холодной деформации в 1,5ч2 раза увеличивает прочность и твердость металла при одновременном снижении его пластичности, поэтому в некоторых случаях изделия специально подвергают упрочняющему деформированию. Учитывая явления, оказывающие влияние на качество металла при пластическом деформировании и сознательно управляя ими, можно создавать такие условия обработки давлением, при которых получаемые детали будут обладать наилучшими служебными качествами.

Использованная литература

Таволжанский С.А., Производство слитков из цветных металлов и сплавов: наполнительное литье слитков из цветных металлов и сплавов / С.А. Таволжанский. М.: МИСиС, 2013. 58 с. ISBN 978-5-87623-540-4 - Текст: электронный // ЭБС "Консультант студента"

Производство отливок из сплавов цветных металлов: учебник [Электронный ресурс] / А.В. Курдюмов, В.Д. Белов, М.В. Пикунов, В.М. Чурсин, С.П. Герасимов, В.С. Моисеев. М.: МИСиС, 2011.

Размещено на Allbest.ru