Особенности структуры реальных кристаллических материалов » Ремонт Строительство Интерьер

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Особенности структуры реальных кристаллических материалов

18.05.2021

Подавляющее большинство металлов при кристаллизации из жидкой фазы или при перекристаллизации в твердом состоянии образует кристаллические решетки трех основных типов:, гранецентрированную кубическую (г. ц. к.), объемноцентрированную кубическую (о. ц. к.) и гексагональную компактную (гекс. комп.). В первой и в последней атомы размещаются в узлах кристаллической решетки наиболее плотно.

В реальных кристаллических решетках атомы постоянно совершают колебания относительно некоторого среднего положения, причем амплитуда этих колебаний возрастает по мере повышения температуры. Даже при температуре абсолютного нуля (0 °К) колебания атомов не прекращаются. Частота колебаний зависит от величины действующих межатомных сил: она возрастает при увеличении расстояния от одного атома до другого и снижается по мере уменьшения расстояния между ними.

Имеется и ряд других факторов, приводящих к неупорядоченности в кристаллической решетке металлов. Наиболее распространенной причиной является наличие в решетке атомов и других элементов — либо вводимых специально с целью легирования, либо являющихся неизбежными примесями. Когда эти атомы распределяются по всему объему кристаллической решетки, они образуют так называемый твердый раствор; объединение атомов примесей вызывает возникновение частиц избыточных фаз, являющихся включениями в матрице кристаллической решетки основы.

В реальных металлах имеются и другие различные нарушения правильности кристаллической решетки, не зависящие от колебаний ее атомов, легирующих примесей и включений, называемые несовершенствами. Предположение о наличии «несовершенств» было высказано Г. Тейлором и другими исследователями еще в 1934 г. Основанием для этого послужил значительный «разрыв» между теоретической прочностью металлических материалов, рассчитанной для идеальной кристаллической решетки (все атомы которой одновременно воспринимают воздействие прилагаемой нагрузки), и реальной, экспериментально определяемой прочностью. Последняя в ряде случаев на два порядка ниже величины теоретического сопротивления сдвигу атомных плоскостей в кристаллической решетке, что и объяснялось имеющимися в реальных металлах и сплавах нарушениями правильности их строения, названных «несовершенствами». В последующие годы данная гипотеза была подтверждена экспериментально и теория несовершенств была использована не только для объяснения низкой прочности металлических материалов, но и для суждения о других важных механических и физических свойствах металлов и сплавов. Эти свойства можно разделить на две группы:

1) структурно нечувствительные, к числу которых следует отнести, например, плотность и упругие свойства, удельную теплоемкость и коэффициент теплового расширения и другие характеристики, сохраняющие или незначительно изменяющие свое значение в различных участках одного и того же или различных образцов изучаемого материала.

2) структурно чувствительные, которыми являются предел прочности и предел текучести, значения длительной прочности и ползучести и другие, значительно изменяющиеся в разных образцах одного и того же материала.

При этом представление об идеальном кристаллическом строении материалов позволяет с достаточной степенью точности объяснять структурно нечувствительные свойства, тогда как для объяснения изменений структурно чувствительных свойств необходимо использовать модели атомнокристаллического строения, учитывающие несовершенства в решетке металлов и сплавов.

К характерным несовершенствам следует отнести вакансии — места в кристаллической решетке, не занятые атомами, а также внедренные атомы, т. е. располагающиеся в промежутках между атомами, находящимися в своих нормальных положениях.

Металлы и сплавы обладают блочным (мозаичным) строением в объеме отдельных зерен. Следует отметить, что в объеме отдельных блоков недеформированного материала кристаллографическая ориентация сохраняется неизменной, а углы дезориентации между блоками не превышают нескольких минут. Образуемые зонами сопряжения отдельных блоков субграницы или, как их часто называют, границы под малыми углами представляют еще один из видов несовершенств.

Следует указать, что исключительно большое влияние на свойства поликристаллических материалов оказывают границы зерен, которые в отличие от только что рассмотренных малоугольных границ называют границами под большими углами, так как кристаллографические ориентации отдельных зерен, образующих в зоне сопряжения «границу», могут резко различаться.

Очень важное влияние на строение и свойства металлов и сплавов оказывают несовершенства, называемые дислокациями. Теория дислокаций, рассмотренная достаточно подробно в ряде работ, позволяет объяснить аномально низкое значение прочности материалов по сравнению с теоретической прочностью, а также наметить пути повышения их важных эксплуатационных характеристик.

С позиций теории дислокаций процесс скольжения в кристалле представляется как результат суммирования ряда элементарных актов смещения, происходящих в отдельных микрообъемах кристаллической решетки, в которых возникают максимумы напряжений. Последние образуются из-за нарушения правильности решетки и обусловливают возможность перемещения отдельных групп атомов. Однако эти перемещения прекращаются, как только встречают на своем пути новую неоднородность кристаллической решетки.

В результате протекания процесса деформации в виде отдельных актов локальных перемещений возникает неодновременность работы всех атомов в решетке нагружаемого объема металла или сплава, чем и можно объяснить резкое снижение реальной прочности металлов и сплавов по сравнению с ее теоретическим значением.

По мере увеличения числа неоднородностей (дислокаций) в отдельных участках кристаллической решетки металлических материалов возрастает их сопротивление пластической деформации, так как при этом в перемещении микрообъемов может участвовать меньшее число атомов. При увеличении сил межатомной связи, зависящих от природы материала, а также температуры испытания при прочих равных условиях подвижность несовершенств снижается. Поэтому при сопоставлении нескольких материалов, обладающих разными уровнями межатомной связи в кристаллической решетке и различным количеством дислокаций в единице объема, можно, исходя из !представлений, предлагаемых теорией дислокаций, утверждать о потенциальном преимуществе прочностных свойств тех материалов, в которых имеются наибольшие силы связи, действующие между атомами в кристаллической решетке, и существует более высокая плотность дислокаций.

Рассмотрим некоторые параметры, характеризующие дислокации. Обычно областью дислокации условно считают зону кристаллической решетки, в которой межатомные расстояния искажены более чем на 0,25 их нормальной величины. Протяженность этой области называется шириной дислокации.

Для разных металлов значения ширины дислокации составляют величину порядка нескольких ангстремов, тогда как длина дислокаций достигает сотен, тысяч и даже десятков тысяч периодов решетки. Такое соотношение ширины и длины дислокации позволяет рассматривать ее в кристаллической решетке не как область или полосу нарушений, а как линию.

Различные типы дислокаций образуют в металлах и сплавах объемные сетки, преимущественно гексагональные и квадратные. Средний размер «ячейки» в таких сетках составляет, по данным различных авторов, около 10в-3—10в-4 см. Общая длина всех линий дислокации L см, приходящаяся на единицу объема, называется плотностью дислокаций и определяется из равенства
Особенности структуры реальных кристаллических материалов

где V — объем кристалла, см3.

Размерность данного критерия выражается в см/см3 = см-2.

Для отожженных металлов и сплавов экспериментально установлена плотность дислокаций порядка 10в6—10в8 см-2, а для материалов, подвергнутых интенсивному наклепу, она достигает значений 10в11—10в12 см-2.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: