Размещено на http://www.allbest.ru/

15

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

НАБЕРЕЖНОЧЕЛНИНСКИЙ ФИЛИАЛ

ФЕДЕРАЛЬНОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО БЮДЖЕТНОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО УЧРЕЖДЕНИЯ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. А.Н.ТУПОЛЕВА -- КАИ»

КАФЕДРА ГУМАНИТАРНЫХ И СОЦИАЛЬНЫХ ДИСЦИПЛИН

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА ПО ДИСЦИПЛИНЕ:

Дефекты кристаллических решеток

 Подробное изучение линейных дефектов кристаллической решетки, называемых дислокациями, связано с их сильным влиянием на прочность и пластичность практически всех конструкционных кристаллических материалов. Теории прочности кристаллов, не учитывающие этот тип дефектов, не могли даже приближенно объяснять наблюдающиеся механические свойства как моно- так и поликристаллических веществ.

Типы дислокаций. Дислокации принято разделять на краевые и винтовые. Начнем рассмотрение с этих двух наглядных модельных дислокаций.

Краевая дислокация представляет собой особое расположение атомов, изображенное для случая простой кубической решетки на рис. На этом рисунке изображена "лишняя половинка" плоскости, помещенная между двумя другими целыми соседними плоскостями типа 100. Атомы этих целых плоскостей восстановили связи друг с другом, при этом вблизи края вставленной полуплоскости возникли очень сильные деформации. Линию, проходящую через край лишней полуплоскости, называют линией краевой дислокации, а иногда просто краевой дислокацией. По этой причине дислокацию относят к линейным дефектам. Она проходит через места, находящиеся около границы лишней полуплоскости, с наиболее сильными искажениями кристаллической решетки, вызванными этой полуплоскостью. Область сильных искажений вблизи дислокации простирается на 2-3 периода кристаллической решетки. На больших расстояниях искажения малы и их можно описывать в рамках теории упругости.

Схема расположения атомов вблизи краевой дислокации

Винтовая дислокация. Винтовая дислокация представляет собой особое расположение атомов, изображенное на рис. для случая простой кубической решетки. На этом рисунке атомы, расположенные слева от половинки плоскости А, остались на месте, а атомы справа от нее смещены вниз на одно межплоскостное расстояние. При этом вблизи линии В возникли очень сильные деформации. Линию В, проходящую через границу полуплоскости А и оставшейся полуплоскости также называют винтовой дислокацией. На рисунке видно, что по горизонтальной, теперь уже деформированной плоскости типа (001) можно при повороте вокруг линии В подняться на 1 период кристаллической решетки, а совершив несколько оборотов вокруг линии В можно подняться на несколько периодов решетки. Подъем похож на движение по винтовой автодороге, отсюда и название винтовая дислокация. Заметим, что в случае винтовой дислокации все плоскости (010) перестали быть обособленными, они как бы слились в одну сложную винтовую поверхность с осью В. Изображенная на поверхность обеспечивает подъем при движении против часовой стрелке вокруг линии В (если смотреть сверху). Может быть построена такая же поверхность, которая обеспечивает подъем при движении по часовой стрелки вокруг линии В (для этого надо было правую часть кристалла на рис. 2. 10 смещать не вниз, а вверх). Поэтому винтовые дислокации бывают правовинтовые и левовинтовые.

Схема расположения атомных плоскостей вблизи винтовой дислокации

Поверхностные и объемные дефекты

Поверхностные и объемные дефекты - сравнительно крупные дефекты, состоящие из большого числа атомов. В случае поверхностных дефектов область кристалла с сильно нарушенным периодическим расположением атомов имеет форму некоторой поверхности, толщина этой области в направлении нормали к поверхности составляет 1-2 межплоскостных расстояния. В случае объемных дефектов область кристалла с нарушенным периодическим расположением атомов имеет форму некоторого тела, например эллипсоида, все размеры которого соответствуют нескольким межатомным расстояниям.

Поверхностные дефекты. Поверхность кристалла является самым очевидным примером поверхностного дефекта. Известно, что вблизи поверхности кристалла нарушается в некоторой степени периодическое расположение атомов. Из-за этого поверхностный слой находится в напряженном состоянии и обладает некоторой поверхностной энергией, подобно тому, как и поверхность жидкости, обладает энергией поверхностного натяжения. Стремление кристалла как любой системы иметь минимум энергии приводит к минимальной поверхности кристалла. Отчасти поэтому кристаллы имеют форму выпуклых многогранников.

Однако поверхностные дефекты встречаются и внутри кристалла. Это связано с тем, что большинство реальных кристаллов формируются одновременно из нескольких центров кристаллизации и поэтому состоят из зерен с близкой ориентацией кристаллических решеток. На границе раздела этих зерен неизбежно нарушается периодическое расположение атомов. Такие границы называют малоугловыми. Существуют и другой тип границ - границы между кристаллическими зернами в поликристаллическом материале. В этом случае разориентировка кристаллических решеток соседних зерен бывает произвольной. Границы зерен кристалла с нарушенной кристаллической решеткой находятся обычно в напряженном состоянии. Поэтому именно вблизи границ зерен кристалла под действием внешних, дополнительных механических напряжений и происходит чаще всего разлом кристалла.

Вдоль границ зерен быстрее проходит диффузия атомов (так называемая межзеренная диффузия), и, в частности, атомов газов, способных вызывать нежелательные химические реакции с атомами кристалла. Из-за этого ухудшается коррозионная стойкость изделий из кристаллических веществ. Продукты этих реакций (например оксиды, нитриды и др.) будут дополнительно искажать кристаллическую решетку вблизи границ зерен, из-за чего неизбежно повысится вероятность разлома кристалла вдоль границ его зерен и в целом его хрупкость.

Существуют несколько способов уменьшения отрицательного влияния рассмотренных выше поверхностных дефектов на механические и коррозионные свойства кристаллов.

Первый, самый распространенный способ - это выдержка кристалла при температуре примерно в 2 раза меньшей температуры плавления. В процессе такой выдержки происходит миграция атомов, и напряжения вблизи границы частично уменьшаются, из-за чего и несколько затрудняется диффузия вдоль границ и улучшается коррозионная стойкость кристалла.

Второй, менее распространенный и дорогостоящий способ - использование монокристаллических материалов с малыми углами разориентировки соседних зерен. Его применяют, в частности, при производстве лопаток газовых турбин. Монокристаллические лопатки, в которых сведена к минимуму межзеренная диффузия, служат дольше и при более высоких температурах, чем такие же лопатки из поликристаллических материалов.

Границы зерен, как и другие дефекты, оказывают влияние на теплопроводность и электросопротивление, поскольку на них происходит дополнительное рассеяние переносящих энергию фононов и переносящих энергию и заряд электронов. Особенно сильное влияние поверхностных дефектов на теплопроводность и электросопротивление наблюдается при низких температурах, когда длины свободного пробега фононов и электронов оказываются сопоставимыми с размерами кристаллических зерен.

Объемные дефекты. К объемным дефектам относят микровключения других фаз, поры и трещины. Последние два типа дефектов - крайне нежелательны для материала, поскольку искажают практически все его физические свойства, причем наиболее значительно ухудшают прочность и пластичность изделий.

Микровключения других фаз широко используют для улучшения прочности материала. В таком случае специально создают структуру подобную железобетону, состоящую из вещества основной фазы и упрочняющей фазы. Наилучшие результаты получаются, если кристаллические решетки обеих фаз "удачно стыкуются" вдоль некоторых плоскостей. Примерами могут служить сплавы алюминия с медью и алюминия с литием.

В сплавах алюминий-медь (широко известных как дюралюминий), содержащих порядка одного процента меди, в процессе выдержки при температуре 200 С атомы меди группируются в виде дисковых тонких, толщиной 1-2 атома, скоплений. Формируется структура, состоящая из кристаллической решетки алюминия, в которой в местах дисковых скоплений атомы алюминия заменены на атомы меди. Прочность такого материала оказывается значительно выше, чем у чистого алюминия, поскольку в такой структуре движение дислокаций сильно затруднено дискообразными скоплениями атомов меди. Такие сплавы (в частности, дюралюминий) широко используются в авиа и ракетостроении как легкий и достаточно прочный материал.

В сплавах алюминий-литий, содержащих порядка трех процентов лития, в процессе выдержки при температуре 200 С атомы лития и алюминия группируются в виде округлых скоплений, размером в 50-500 межатомных расстояний, имеющих такую же кристаллическую решетку, как и алюминий (более того, решетки обеих областей являются как бы продолжением друг друга), но несколько меньший параметр кристаллической решетки. Сплав состоит из кристаллической решетки алюминия, в которую вкраплены округлые области фазы, обогащенной литием, кристаллическая решетка которых слегка деформирована кристаллической решеткой алюминия. Прочность такого материала оказывается значительно выше, чем у чистого алюминия, поскольку в такой структуре движение дислокаций сильно затруднено округлыми областями другой фазы. Сплавы алюминий-литий широко используются в авиа и ракетостроении как легкий и достаточно прочный материал.

В настоящее время найдены пути управления формой и размерами областей выделяющихся объемных дефектов путем проведения специальных термообработок за счет использования энергии упругого взаимодействия кристаллических решеток областей фаз, внешнего магнитного поля во время проведения термообработок и некоторых других факторов.

Диаграмма состояния «железо-цементит» температура нагрева при полной и неполной закалке стали 40.

Закалкой называется нагрев стали до температуры выше фазовых превращений, выдержка при этой температуре и быстрое охлаждение со скоростью больше критической. Диаграмма состояния железо-цементит представлена на рисунке. При комнатной температуре сталь У10 имеет структуру цементита и перлита. До температуры А_c1 сохраняется исходная структура. При температуре А_c1 происходит превращение перлита в аустенит с содержанием углерода 0,8%. При нагреве выше точки А_с1 происходит растворение цементита в аустените (в соответствии с линией SE). Увеличение температуры выше точки А_сm вызывает рост зерна аустенита. Критические точки для стали 40: А_c1 = 730°С; А_cm = 800°С. Для закалки заэвтектоидные стали нагревают на 50-70°С выше точки А_с1. Таким образом, температура нагрева под закалку составляет 780-800°С. При этих температурах в стали наряду с аустенитом имеется цементит. Поэтому после закалки в структуре заэвтектоидных сталей будет мартенсит с цементитом и небольшое количество остаточного аустенита. Охлаждающая среда при закалке - индустриальное масло. Твердость поверхности после закалки 62-64 HRC. Для снятия напряжений и стабилизации структуры после закалки изделия подвергают низкому отпуску. Критические точки для стали 40: А_c1 = 730°С; А_c3 = 790°С. Для закалки доэвтектоидные стали нагревают на 30-50 °С выше точки А_с3. Температура нагрева под закалку составляет 820-850 °С.

Латунь

В машиностроительной промышленности большое применение имеют медные сплавы, отличающиеся более высокой прочностью, лучшей обрабатываемостью и литейными свойствами и во многих случаях более дешевые, чем медь. Технические медные сплавы объединены в две группы: латуни -- сплавы системы медь -- цинк и бронзы -- сплавы меди с оловом, марганцем, кремнием, алюминием, бериллием и др. Добавка в медь цинка (образование латуни) способствует повышению прочности и вязкости сплава и удешевляет его. В зависимости от структуры различают альфа-латуни, содержащие менее 38% цинка, и альфа + бэта-латуни, содержащие 40--43% цинка. Первые представляют собой однофазный твердый раствор цинка в меди, а вторые -- смесь двух кристаллических твердых растворов. Максимальную пластичность имеет латунь, содержащая около 32% цинка (д =55%), а максимальную прочность -- латунь, содержащая около 45% цинка (у_в =35 кг/мм²).

В зависимости от степени нагартовки (наклепа) значения этих свойств сильно меняются. При значительном наклепе прочность на разрыв может повыситься до 60 кг/мм² при снижении относительного удлинения д до 0,5%. В зависимости от назначения различают латуни литейные, применяемые в основном для изготовления отливок и обрабатываемые давлением (прокатка, штамповка, ковка). Некоторые марки и назначение литейных латуней согласно ГОСТ 1019--47 приведены в табл. Как и для всех латуней, первая буква Л в обозначении марки указывает название сплава (латунь);

· буква А указывает наличие в латуни алюминия;

· Ж -- железа;

· Мц -- марганца;

· К -- кремния;

· С -- свинца;

· О -- олова;

· Н -- никеля.

Стоящие за буквенными обозначениями цифры показывают среднее содержание меди в процентах (первые две цифры) и других элементов (последующие цифры). Остальное до 100% -- цинк. Например:

· латунь марки ЛАЖМЦ 66-6-3-2 содержит около 66% меди, 6% алюминия, 3% железа и около 2% марганца, остальное -- цинк;

· латунь ЛС59-1Л содержит меди 59%, свинца -- 1,0%, остальное -- цинк. Буква Л в конце наименования марки указывает, что это литейная латунь; отсутствие этой буквы (например ЛС59-1) означает, что латунь применяется для обработки давлением.

Литейные латуни используют для изготовления коррозионно - стойких деталей в судостроении, а также шестерен, червячных винтов, втулок и подшипников. Они хорошо обрабатываются, в особенности при наличии свинца, и являются коррозионностойкими во влажной атмосфере и морской воде. Марки и применение латуней, обрабатываемых давлением согласно ГОСТ 1019--47, приведены в табл.

Латуни, содержащие наибольший процент меди (от 97 до 88%), называюттомпаками (марки Л96, Л90, Л85). Латунные изделия, полученные холодной обработкой давлением (электротехническая арматура, патроны, трубки и т.п.), необходимо подвергать отжигу при температуре 200° в течение 1,5--2 час. для частичного снятия внутренних напряжений. Без этой обработки в деталях обнаруживается изменение размеров и самопроизвольное растрескивание, в особенности при наличии газовой среды, содержащей аммиак.

диффузия дислокация атом точечный дефект

Список используемой литературы

Материалы с сайта: физика твердого тела.

Учебное пособие материаловедение. И.С. Давыдова .Е.Л. Максина

Размещено на Allbest.ru