Астафьева Е.А. Технология конструкционных материалов
Подождите немного. Документ загружается.
ГЛАВА 2. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ В МАШИНОСТРОЕНИИ, ИХ СТРОЕНИЕ, СВ-ВА И КЛАССИФИКАЦИЯ
2.1. Атомно-кристаллическая структура металлов
Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -21-
Расстояния а, b, с между центрами ближайших атомов в элементарной
ячейке (рис. 2.1, в
) называются периодами решетки, выражаются в нано-
метрах (1 нм = 10
−9
см) и для большинства металлов находятся в пределах
0,1–0,7 нм.
На элементарную ячейку объемно-центрированной решетки приходят-
ся два атома. Один из них в центре куба, а другой вносят атомы, располага-
ющиеся в вершинах куба. При этом каждый атом в вершине куба одновре-
менно принадлежит восьми сопряженным элементарным ячейкам и на
каждую яче
йку приходится лишь 1/8 массы этого атома, т. е. на всю ячейку
приходится 1/8
×
8 = 1 атом.
На элементарную ячейку гранецентрированной кубической решетки
приходятся четыре атома. Из них один (по такому же расчету, как и для
объемно-центрированной решетки) вносят атомы в вершинах куба, а три
суммарно ((1/2)
×
6 = 3) вносят атомы, находящиеся на середине грани, так
как каждый из таких атомов принадлежит двум ячейкам.
а б в
Рис. 2.1. Расположение атомов (ионов): а – в кристаллической решетке;
б, в – в элементарной кристаллической ячейке
а б в
Рис. 2.2. Кристаллические решетки металлов: а – объемно-центрированная
кубическая (ОЦК); б – гранецентрированная кубическая (ГЦК);
в – гексагональная плотноупакованная (ГПУ)
a
с
b
α
γ
β
z
y
х
c
a
c
b
a
ГЛАВА 2. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ В МАШИНОСТРОЕНИИ, ИХ СТРОЕНИЕ, СВ-ВА И КЛАССИФИКАЦИЯ
2.1. Атомно-кристаллическая структура металлов
Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -22-
а б в
Рис. 2.3. Число атомов, находящихся на наименьшем расстоянии
от данного атома А в разных кристаллических решетках: а – ГЦК; б – ОЦК; в – ГПУ
На элементарную ячейку гексагональной плотноупакованной решетки
приходятся шесть атомов (3 + (1/6)
×
12 + (1/2)
×
6 = 6).
Период и число частиц, приходящихся на элементарную ячейку, опре-
деляют расположение частиц в кристалле. Дополнительными характеристи-
ками кристаллической решетки являются координационное число и коэффи-
циент компактности.
Координационное число (К) − количество атомов, находящихся на наи-
меньшем расстоянии от данного атома в разных кристаллических решетках.
В решетке объемно-центрированного куба (ОЦК) для каждого атома число
таких соседей будет 8 (К8), для решеток гранецентрированной кубическо
й
(ГЦК) и гексагональной плотноупакованной (ГПУ) – 12 (К12) (рис. 2.3
).
Отношение объема всех частиц, приходящихся на одну элементарную
ячейку, ко всему объему элементарной ячейки определяет коэффициент
компактности. Например, его значение для ОЦК – 0,68, для ГЦК – 0,74.
Оставшееся пространство занимают поры.
2
2
.
.
2
2
.
.
К
К
р
р
и
и
с
с
т
т
а
а
л
л
л
л
о
о
г
г
р
р
а
а
ф
ф
и
и
ч
ч
е
е
с
с
к
к
и
и
е
е
н
н
а
а
п
п
р
р
а
а
в
в
л
л
е
е
н
н
и
и
я
я
и
и
п
п
л
л
о
о
с
с
к
к
о
о
с
с
т
т
и
и
Упорядоченность расположения атомов в кристаллической решетке
позволяет четко выделить отдельные кристаллографические направления и
плоскости.
Кристаллографическими направлениями являются прямые или лучи,
выходящие из какой-нибудь точки отсчета, вдоль которых на определенном
расстоянии друг от друга располагаются атомы. Точками отсчета могут
служить, например, вершины куба, при этом кристаллографическими направ-
лениями являются его ребра и диагонали граней (рис. 2.4, а
).
Кристаллографическими плоскостями являются плоскости, на которых
лежат атомы, например грани куба или его диагональные плоскости
(рис. 2.4, б−г
).
Кристаллографические направления и плоскости принято обозначать
индексами Миллера. Для определения индекса какого-либо направления
ГЛАВА 2. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ В МАШИНОСТРОЕНИИ, ИХ СТРОЕНИЕ, СВ-ВА И КЛАССИФИКАЦИЯ
2.2. Кристаллографические направления и плоскости
Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -23-
следует найти координаты ближайшего к точке отсчета атома, лежащего на
этом направлении, выраженные через параметр решетки. Например, коор-
динаты ближайшего атома вдоль оси 0x выражают через 100, этими цифрами
принято обозначать индекс направления вдоль оси 0x и параллельных ему
направлений: [100]. Индексы направлений вдоль осей 0y и 0z и параллельных
им направлений выражают соответственно через [010]
и [001], а направления
вдоль диагоналей граней x0z, x0y, y0z и диагонали куба получат индексы
соответственно [101], [110], [011], [111] (рис. 2.4
, а).
Для определения индекса кристаллографической плоскости следует
вначале найти координаты ближайших точек ее пересечения с осями коор-
динат, проведенными из точки отсчета 0. Затем обратные величины найден-
ных координат нужно записать в обычной последовательности в круглых
скобках. Например, координаты точек пересечения с осями координат
интересующей нас ближайшей плоскости, параллельной плоскости x0y (т. е.
плоскости верхней грани куба на рис. 2.4, б
), являются числа ∞ , ∞ , 1, поэтому
индекс можно записать так: (001). Индексы плоскостей, параллельных
плоскостям x0z и y0z, будут соответственно (010) и (100) (рис. 2.4, б
), индекс
вертикальной диагональной плоскости куба (рис. 2.4, в
) − (110), а индекс
наклонной плоскости, пересекающейся со всеми тремя осями координат на
удалении одного параметра, примет вид (111) (рис. 2.4, г
).
Рис. 2.4. Основные кристаллографические направления (а) и плоскости (б−г)
б
г
в
а
[100] [110]
[011]
[111]
ГЛАВА 2. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ В МАШИНОСТРОЕНИИ, ИХ СТРОЕНИЕ, СВ-ВА И КЛАССИФИКАЦИЯ
2.2. Кристаллографические направления и плоскости
Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -24-
а б
Рис. 2.5. Обозначение кристаллографических плоскостей куба и различных
кристаллографических направлений: а − в ГЦК-решетке; б − в ОЦК-решетке
Использование понятий о кристаллографических направлениях и плос-
костях и индексах Миллера позволяет описывать различные явления,
происходящие в кристаллографических телах, а также особенности свойств
кристаллографических тел вдоль различных направлений и плоскостей. Так,
плоскости (100) в ОЦК-решетке на рис. 2.4, б
принадлежит лишь один
атомом ((1/4)
×4), плоскости ромбического додекаэдра (110) на рис. 2.4, в и
рис. 2.5, б
– два атома: один атом вносят атомы, находящиеся в вершинах
[(1/4)
×
4], и один атом в центре куба. В ГЦК-решетке плоскостью с наиболее
плотным расположением атомов будет плоскость октаэдра (111) (рис. 2.5, а
),
а в ОЦК-решетке – плоскость (110) (рис. 2.5, б
).
Вследствие неодинаковой плотности атомов в различных плоскостях и
направлениях решетки свойства (химические, физические, механические)
каждого монокристалла зависят от направления вырезки образца по отноше-
нию к направлениям в решетке. Подобная неодинаковость свойств монокрис-
талла в различных кристаллографических направлениях называется анизотропией.
Кристалл – тело анизотропное в отличие от аморфных тел (стекло,
пластмассы и др.), характеризующихся неупорядоченным распо
ложением
атомов и молекул.
2
2
.
.
3
3
.
.
Д
Д
е
е
ф
ф
е
е
к
к
т
т
ы
ы
к
к
р
р
и
и
с
с
т
т
а
а
л
л
л
л
и
и
ч
ч
е
е
с
с
к
к
о
о
й
й
р
р
е
е
ш
ш
е
е
т
т
к
к
и
и
м
м
е
е
т
т
а
а
л
л
л
л
о
о
в
в
Строение любого реального кристалла несовершенно. Дефекты крис-
таллографического строения подразделяются по геометрическим признакам
на точечные (нуль-мерные), линейные (одномерные) и поверхностные (дву-
мерные).
Точечные дефекты малы во всех трех направлениях: размеры их не
превышают нескольких атомных диаметров. К точечным дефектам отно-
сятся вакансии, дислоцированные атомы и атомы примесей.
(111)
(110)
(000)
x
y
c
b
а
[
]
101
[
]
110
[
]
111
[
]
111
[
]
110
ГЛАВА 2. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ В МАШИНОСТРОЕНИИ, ИХ СТРОЕНИЕ, СВ-ВА И КЛАССИФИКАЦИЯ
2.3. Дефекты кристаллической решетки металлов
Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -25-
а б в
Рис. 2.6. Точечные дефекты: а – вакансии; б – дислоцированный атом;
в – атом примеси
Вакансии – это отсутствие атомов (ионов) в узлах кристаллической
решетки, «дырки», по терминологии Я. И. Френкеля, которые образовались в
силу различных причин (рис. 2.6, а
).
Дислоцированные атомы − атомы, вышедшие из узла кристаллической
решетки и занявшие место где-то в междоузлии (рис. 2.6, б
). Концентрация
дислоцированных атомов невелика, так как для их образования требуется
существенная затрата энергии (например, облучение металла ядерными
частицами). При этом на месте переместившегося атома также образуется
вакансия (механизм Я. И. Френкеля).
Поскольку практически невозможно выплавить металл химически
чистым, в любом объеме металла всегда присутствует какое-то количество
чужеродных атомов примесей.
Примесные атомы либо занимают в кристаллической решет
ке места
основных атомов, либо внедряются внутрь ячейки (рис. 2.6, в
).
Вокруг вакансий, дислоцированных атомов и атомов примесей всегда
нарушается правильность кристаллического строения, а также уравновешен-
ность силовых полей атомов во всех направлениях.
Линейные дефекты имеют малые размеры в двух измерениях и боль-
шую протяженность в третьем измерении. Важнейшие виды линейных несо-
вершенств – краевые и винтовые дислокации (рис. 2.7
).
Краевая дислокация в сечении представляет собой край «лишней» полу-
плоскости в решетке (рис. 2.
7, а). Вокруг дислокаций решетка упруго искажена.
Мерой искажения служит так называемый вектор Бюргерса. Он полу-
чается, если обойти замкнутый контур в идеальном кристалле (рис. 2.8, а
),
переходя от узла к узлу, а затем этот же путь повторить в реальном
кристалле, заключив дислокацию внутрь контура. Как видно на рис. 2.8, б
, в
реальном кристалле контур окажется незамкнутым. Вектор
b
G
, который
нужен для замыкания контура, и будет вектором Бюргерса. У краевой
дислокации (рис. 2.8, б
) вектор Бюргерса равен межатомному расстоянию и
перпендикулярен дислокационной линии, у винтовой дислокации (рис. 2.7, б
)
– параллелен ей.
ГЛАВА 2. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ В МАШИНОСТРОЕНИИ, ИХ СТРОЕНИЕ, СВ-ВА И КЛАССИФИКАЦИЯ
2.3. Дефекты кристаллической решетки металлов
Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -26-
а б
Рис. 2.7. Схемы краевой (а) и винтовой (б) дислокаций
а б
Рис. 2.8. Идеальный кристалл (а) и вектор Бюргерса
у краевой дислокации в реальном кристалле (б)
Полные дислокации легко перемещаются под действием напряжений в
отличие от частичных дислокаций, у которых вектор Бюргерса меньше
межатомного расстояния.
Внутри кристалла дислокации связаны в единую, объемную сетку; в
каждом узле сетки соединены три дислокации и сумма их векторов Бюргерса
равна нулю.
В кристаллах содержатся дислокации разных знаков, различающиеся
ориентацией векторов Бюргерса. Дислокации одного зна
ка, расположенные в
одной плоскости, отталкиваются друг от друга, дислокации противополож-
ных знаков притягиваются.
Плотность дислокаций – это суммарная длина всех линий дислокаций
в единице объема. В полупроводниковых кристаллах она равна 10
4
–10
5
см
–2
,
у отожженных металлов – 10
6
–10
8
см
–2
. При холодном пластическом дефор-
мировании плотность дислокаций возрастает до 10
11
–10
12
см
–2
. Попытка
увеличить плотность свыше 10
12
см
–2
быстро приводит к появлению трещин
и разрушению металла.
Дислокации возникают при кристаллизации, плотность их большая,
поэтому они значительно влияют на свойства материалов. Дислокации
наряду с другими дефектами участвуют в фазовых превращениях.
Вдоль дислокаций скорость диффузии на несколько порядков выше,
чем сквозь кристаллическую решетку без дефектов. Дислокации служат мес-
b
ГЛАВА 2. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ В МАШИНОСТРОЕНИИ, ИХ СТРОЕНИЕ, СВ-ВА И КЛАССИФИКАЦИЯ
2.3. Дефекты кристаллической решетки металлов
Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -27-
том концентрации примесных атомов, в особенности примесей внедрения,
так как это уменьшает искажения решетки.
Поверхностные дефекты. Поликристаллический сплав содержит
огромное число мелких зерен (рис. 2.9
). В соседних зернах решетки ориен-
тированы различно (рис. 2.10
), и граница между зернами представляет собой
переходный слой 1–5 нм, в котором нарушена правильность расположения
атомов, имеются скопления дислокаций, повышена концентрация примесей.
Границы между зернами называются
большеугловыми (рис. 2.9), так как соот-
ветственные кристаллографические направления в соседних зернах образуют
углы в десятки градусов.
Каждое зерно, в свою очередь, состоит из субзерен (блоков).
Субзерно
представляет собой часть кристалла относительно правильного строения, а
его границы – стенки дислокаций, которые разделяют зерно на отдельные
субзерна (рис. 2.10
). Угол взаимной разориентации между соседними суб-
зернами невелик. Там возникают малоугловые границы, на которых также
скапливаются примеси.
α
а б
Рис. 2.9. Схема строения поликристалла: а – большеугловые границы между
зернами;
б – переходный слой (граница)
Рис. 2.10. Схема блочной (мозаичной) структуры зерен
ГЛАВА 2. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ В МАШИНОСТРОЕНИИ, ИХ СТРОЕНИЕ, СВ-ВА И КЛАССИФИКАЦИЯ
2.3. Дефекты кристаллической решетки металлов
Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -28-
Поверхностные дефекты влияют на механические и физические
свойства материалов. Особенно большое значение имеют границы зерен. Чем
мельче зерно, тем выше предел текучести, вязкость и меньше опасность
хрупкого разрушения. Вдоль границ зерен и субзерен быстро протекает
диффузия, во много раз быстрее, чем сквозь кристалл, особенно при нагреве.
Взаимодействие между дефектами, перемещение их в кристаллах,
изменение концентрации дефектов – все это отражается на свойств
ах
материалов и имеет большое практическое значение.
2
2
.
.
4
4
.
.
С
С
в
в
о
о
й
й
с
с
т
т
в
в
а
а
м
м
а
а
т
т
е
е
р
р
и
и
а
а
л
л
о
о
в
в
Свойство – это количественная или качественная характеристика мате-
риала, определяющая его общность или различие с другими материалами.
Выделяют три основные группы свойств материалов: эксплуатацион-
ные, технологические и стоимостные. Они лежат в основе выбора материала,
определяют техническую и экономическую целесообразность его примене-
ния. Первостепенное значение имеют эксплуатационные свойства.
Эксплуатационными называют свойства материала, которые определяют
работоспособность деталей машин, приборов или инструментов, их силовые,
скоростные, стойкостные и другие технико-эксплуатационные показатели.
Работоспособность подавляющего большинства деталей машин и
изде-
лий обеспечивает уровень механических свойств, которые характеризуют
поведение материала под действием внешней нагрузки. Так как условия
нагружения деталей машин чрезвычайно разнообразны, механические
свойства включают большую группу показателей.
Работоспособность отдельной группы деталей машин зависит не толь-
ко от механических свойств, но и от сопротивления воздействию химически
активной рабочей среды. Если такое воздействие значительно, то оп
ределяю-
щими становятся
физико-химические свойства материала – жаростойкость и
коррозионная стойкость.
Среди
технологических свойств главным является технологичность
материала – его пригодность для изготовления деталей машин, приборов и
инструментов требуемого качества при минимальных трудовых затратах.
Она оценивается: обрабатываемостью резанием; давлением; свариваемостью;
способностью к литью; склонностью к деформации и короблению при
термической обработке.
Литейные свойства определяются жидкотекучестью, усадкой и склон-
ностью к ликвации.
Деформируемость – это способность принимать необходимую форму
под влиянием внешней нагрузки без разрушения и при наименьшем сопро-
тивлении нагрузке, т. е. способность металла к обработке давлением.
Свариваемость – это способность металлов и сплавов образовывать
неразъемные соединения требуемого качества.
ГЛАВА 2. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ В МАШИНОСТРОЕНИИ, ИХ СТРОЕНИЕ, СВ-ВА И КЛАССИФИКАЦИЯ
2.4. Свойства материалов
Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -29-
Технологичность материала имеет важное значение, так как от нее
зависят производительность и качество изготовления деталей.
При обработке материалов и эксплуатации изделий из них большое зна-
чение имеют
физические свойства материалов, к которым относятся: темпе-
ратура плавления, плотность, электросопротивление, теплопроводность и др.
Механические свойства материалов. Внешние нагрузки, действующие
на элементы конструкций и детали машин, распределены по площади или
объему. В зависимости от изменения во времени нагрузки разделяются на
статические и динамические.
Статическое нагружение характеризуется малой
скоростью изменения своей величины.
Динамические нагрузки изменяются
во времени с большими скоростями, например при ударном нагружении.
Под действием внешних нагрузок и структурно-фазовых превращений
в материале конструкции возникают внутренние силы –
напряжения.
В простейшем случае осевого растяжения цилиндрического стержня
(рис. 2.11,
а) напряжение σ в поперечном сечении легко определить как отноше-
ние растягивающей силы
Р к площади поперечного сечения F
0
, т. е. σ = Р/F
0
.
В общем случае, когда сила
Р не перпендикулярна плоскости рассмат-
риваемого сечения
F
1
(рис. 2.11, б), полное напряжение σ
1
можно разложить
на две составляющие: нормальное напряжение σ
n
, направленное перпендику-
лярно данной плоскости, и касательное τ, направленное вдоль этой плоскос-
ти. На рис. 2.11, б
наклонная плоскость F
1
расположена под углом α к плос-
кости поперечного сечения стержня. Площадь наклонного сечения
F
1
=
F
0
/cos
α. В плоскости этого сечения действует общее напряжение σ
1
= Р/F
1
=
σcos
α. Разлагая это напряжение по правилу параллелограмма на
составляющие, получаем, что нормальное напряжение σ
n
= σcos
2
α, а каса-
тельное напряжение τ = σcos
αsin
α = 0,5σsin 2α. Отсюда следует, что макси-
мальное нормальное напряжение возникает при α = 0° и равно σ, а макси-
мальное касательное напряжение возникает при α = 45° и равно σ/2.
а б
Рис. 2.11. Схема нормальных и касательных напряжений
Действие внешних нагрузок приводит к деформации тела, т. е. к изме-
нению его размеров и формы. Деформация, исчезающая после нагрузки,
ГЛАВА 2. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ В МАШИНОСТРОЕНИИ, ИХ СТРОЕНИЕ, СВ-ВА И КЛАССИФИКАЦИЯ
2.4. Свойства материалов
Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -30-
называется упругой. При пластической (остаточной) деформации изменение
размеров и формы сохраняется после прекращения действия нагрузки.
Упругопластическая деформация при достижении высоких напряжений
может завершиться разрушением тела. Под
разрушением понимают процесс
зарождения в материале трещин, приводящий к разделению его на части.
Разрушение может быть хрупким и вязким. Механизм зарождения
трещин при этом одинаков: микротрещины возникают в основном
вследствие скопления движущихся дислокаций перед препятствием
(границей зерен, неметаллическими включениями и т. д.).
При
хрупком разрушении под действием нормальных напряжений
возникающая трещина становится нестабильной и растет самопроизвольно.
Скорость распространения хрупкой трещины велика (для стали 2500 м/с),
поэтому хрупкое разрушение называется также «внезапным» или «катастро-
фическим».
При
вязком разрушении под действием касательных напряжений
велика величина пластической деформации. Зона пластической деформации
развивается впереди распространяющейся трещины, при этом сама трещина
затупляется у своей вершины. Вязкое разрушение обусловлено малой
скоростью распространения трещины.
Разработаны различные методы испытаний, с помощью которых опре-
деляются механические свойства металлов при динамических и циклических
нагрузках. Наиболее распространены статические испытания на твердость и
растяж
ение.
Кроме статических и динамических испытаний в необходимых случаях
производят испытания на выносливость (усталость), ползучесть и износ,
которые дают более полное представление о свойствах материалов.
Механические свойства, определяемые при статических нагрузках.
Испытания на растяжение являются основными для определения прочност-
ных, упругих и пластических свойств металлов.
Прочность – это способность твердого тела сопротивляться деформа-
ции или разрушению под действием статических и динамических нагрузок.
Прочность определяют с помощью специальных образцов, изготовленных из
исследуемого материала.
При статических испытаниях на растяжение образец находится в
равновесии под действием растягивающих сил, вызывающих в материале
напряжение.
Для статических испытаний изготовляют обычно круглые образцы
(рис. 2.12,
а) испытуемого металла или плоские (для листовых материалов).
Образцы состоят из рабочей части и головок, предназначенных для закреп-
ления их в захватах разрывной машины. Размеры образцов стандартизованы.
Для круглых образцов отношение расчетной начальной длины
l
0
к началь-
ному диаметру
d
0
(на рис. 2.12 d
0
= 10 мм) называется кратностью образца.
На практике применяются образцы с кратностью 2,5; 5; 10.