Двойное оплодотворение у цветковых растений: Оплодотворение - это процесс слияния мужской и женской половых клеток с образованием зиготы...
Индивидуальные и групповые автопоилки: для животных. Схемы и конструкции...
Топ:
Теоретическая значимость работы: Описание теоретической значимости (ценности) результатов исследования должно присутствовать во введении...
Проблема типологии научных революций: Глобальные научные революции и типы научной рациональности...
Интересное:
Аура как энергетическое поле: многослойную ауру человека можно представить себе подобным...
Принципы управления денежными потоками: одним из методов контроля за состоянием денежной наличности является...
Берегоукрепление оползневых склонов: На прибрежных склонах основной причиной развития оползневых процессов является подмыв водами рек естественных склонов...
Дисциплины:
2018-01-29 | 830 |
5.00
из
|
Заказать работу |
|
|
Тема 1. Кристаллическое строение металлов. Полиморфизм. Дефекты в кристаллах. Теоретическая и фактическая прочность. Влияние кристаллического строения на механические свойства металлов. Анизотропия.
Кристаллическое строение металлов. Полиморфизм
Как охарактеризовать атомно-кристаллическое строение металлов?
Общее свойство металлов и сплавов – их кристаллическое строение, характеризующееся дальним порядком - определенным закономерным расположением атомов в пространстве. Атомно-кристаллическая структура может быть представлена изображением одной элементарной ячейкой (выделена жирными линиями на рис. 1), повторяющейся в трех измерениях.
Рис. 1. Кристаллическая решетка
В точках пересечения прямых линий располагаются элементарные частицы (атомы, ионы); они называются узлами решетки. Расстояния a, b и c между центрами атомов, находящихся в соседних узлах, называют параметрами или периодами решетки. Период решетки выражается в нанометрах (1нм = 10-9 см).
Какие типы элементарных ячеек кристаллических решеток наиболее характерны для металлов?
В кристалле элементарные частицы (атомы, ионы) сближены до соприкосновения. Наиболее характерны для металлов три типа элементарных ячеек кристаллических решеток: (ГЦК), (ОЦК) и ГПУ) (Рис.2).
Рис. 2. Типы элементарных ячеек кристаллических решеток металлов и схемы упаковки в них атомов
а – гранецентрированная кубическая (ГЦК);
б – объемно центрированная кубическая (ОЦК);
в – гексагональная плотноупакованная (ГПУ) решетка;
В кубической гранецентрированной решетке (ГЦК) атомы расположены в вершинах куба и в центре каждой грани (Pb, Ni, Ag, Au, Pt, Feγ, Cu и др.)
|
В кубической объемноцентрированной решетке (ОЦК) атомы расположены в вершинах куба, а один – в центре его объема (Feα, Tiβ, W, V, Cr, Nb и др.).
В гексагональной плотноупакованной решетке (ГПУ) атомы расположены в вершинах и центре шестигранных оснований призмы, а три атома – в средней плоскости призмы (: Mg, Tiα, Zn, Cd, Be и др.).
Для характеристики кристаллических решеток введены понятия базиса решетки, координационного числа и коэффициента компактности.
Что называют координационным числом?
Координационным числом называют число атомов, находящихся на расстоянии наиболее близком равном от данного атома. В решетке ОЦК каждый атом имеет всего 8 ближайших соседей, а в решетках ГЦК и ГПУ их 12 (рис.4).
Рис. 4. Схема показывающая число атомов находящихся на равном и наименьшем расстоянии от данного атома в разных кристаллических решетках (С.С. Штейнберг):
А – К12; б – К8; в – К12.
Таким образом, для ОЦК решетки координационное число равно 8, для решетки ГЦК оно составляет 12. ГПУ решетка, для которой c/α = 1,633, также имеет координационное число 12. Из этого следует, что решетка ОЦК менее компактна, чем решетки ГЦК и ГПУ.
Дефекты в кристаллах.
В любом реальном кристалле всегда имеются дефекты строения, которые оказывают существенное влияние на свойства материала. Существует следующее подразделение дефектов кристаллического строения по геометрическим признакам: точечные, линейны, поверхностные и макродефекты объемного характера.
Рис. 6. Краевая дислокация.
Линейная атомная полуплоскость PQQ’P’ называется экстраплоскостью, а нижний край экстраплоскости – линией дислокации. Если экстраплоскость находится в верхней части кристалла, то дислокацию называют положительной и обозначают знаком "┴", а если в нижней - то отрицательной и обозначают знаком “┬”.. Дислокации одного знака отталкиваются, а противоположных – притягиваются. Сближение дислокаций разного
|
знака приводит к их взаимному уничтожению (аннигиляции). Из приведенной схемы видно, что атомы над краевой дислокацией испытывают сжатие, а нижние атомы – растяжение.
Помимо краевых дислокаций в кристаллах могут образовываться и винтовые дислокации (рис.7). Винтовая дислокация, образованная вращением по часовой стрелке, называется правой, а против часовой стрелки – левой.
Вблизи линии дислокации атомы смещены со своих мест и кристаллическая решетка искажена, что вызывает образование поля напряжений; выше линии дислокации решетка сжата, а ниже – растянута.
Рис. 7. Винтовая дислокация.
Энергия искажения кристаллической решетки характеризуется с помощью вектора Бюргерса. Этот вектор может быть получен, если, переходя от узла к узлу, обвести замкнутый контур в реальном кристалле, заключив дислокацию внутрь контура (рис.8). Участок ВС будет состоять из шести отрезков, а участок DA из пяти. Разница ВС – DA = b, где b есть величина вектора Бюргерса.
Рис. 8. Схема определения вектора Бюргерса для краевой дислокации:
Рис. 9. Схема строения зерен и границ между ними.
Граница между зернами представляет собой узкую переходную зону шириной 5 – 10 атомных расстояний. В граничной зоне кристаллическая решетка одного зерна переходит в решетку другого.
Неупорядоченное строение переходного слоя усугубляется скоплением в этой зоне дислокаций и повышенной концентрацией примесей. Плоскости и направления скольжения в соседних зернах не совпадают. Скольжение первоначально развивается в наиболее благоприятно ориентированных зернах. Разная ориентировка систем скольжения не позволяет дислокациям переходить в соседние зерна, и, достигнув границы зерен, они останавливаются. Напряжения от скопления дислокаций у границ одних зерен упруго распространяются через границы в соседние зерна, в результате чего в них приводятся в действие источники образования новых дислокаций. Вследствие того, что границы зерен препятствуют перемещению дислокаций и являются местом повышенной концентрации примесей, они оказывают существенное влияние на механические свойства металла.
Рис. 10. Схема пластической деформации путем последовательного перемещения дислокации в простой кубической решетке
а – исходное состояние краевой дислокации; б – контур Бюргерса вокруг дислокации;
|
Рис. 11. Влияние искажений кристаллической решетки на прочность кристаллов.
При ограниченной плотности дислокаций процесс сдвига происходит тем легче, чем больше дислокаций в металле. С ростом напряжений возрастает число источников дислокаций и их плотность увеличивается. Помимо
параллельных дислокаций возникают дислокации в разных плоскостях и направлениях. Дислокации воздействуют друг на друга, мешают друг другу перемещаться.
С повышением плотности дислокаций их движение становится все более затрудненным, что требует увеличения прилагаемой нагрузки для продолжения деформации. В результате металл упрочняется, что соответствует правой ветви кривой на рис.11.
Упрочнению способствуют и другие несовершенства кристаллического строения, также тормозящие движение дислокаций. К ним относятся атомы растворенных в металле примесей и легирующих элементов, частицы выделения второй фазы, границы зерен и т.д.
На практике препятствие движению дислокаций, т.е. упрочнение, создается введением других элементов (легированием), наклепом, термической или термомеханической обработкой. Снижение температуры также препятствует свободному перемещению дислокаций. При низких температурах прочность растет, а пластичность падает. Металл становится прочным, но хрупким.
Таким образом, повышение прочности металлов и сплавов может быть достигнуто двумя путями:
1) получением металлов с более близким к идеальному строением кристаллической решетки, т.е. металлов, в которых отсутствуют дефекты кристаллического строения или же их число крайне мало;
2) либо, наоборот, увеличением числа структурных несовершенств, препятствующих движению дислокаций.
Что называют текстурой?
Такая мнимая изотропность металла не будет наблюдаться, если кристаллы имеют одинаковую преимущественную ориентацию в каких-то направлениях. Эта ориентированность, или текстура, создается, например, в результате значительной холодной деформации. В этом случае поликристаллический металл приобретает анизотропию свойств. Свойства деформированного металла вдоль и поперек направления деформации могут существенно различаться.
|
Вопросы к теме 1. Кристаллическое строение металлов и его влияние на механические свойства. Полиморфизм. Дефекты в кристаллах, теоретическая прочность.
12. Что понимают под размером зерна?
15. Чем объясняется большое расхождение между теоретической и фактической прочностью металла?
16. Каково значение теории дислокаций?
17. Как зависит прочность металла от степени плотности дислокаций?
18. Какие еще факторы способствуют упрочнению металла?
Тест к теме 1. Кристаллическое строение металлов. Полиморфизм. Дефекты в кристаллах. Теоретическая и фактическая прочность. Влияние кристаллического строения на механические свойства металлов. Анизотропия.
1.1.1. 1.Для металлов в твердом состоянии характерен следующий порядок расположения атомов:
А) ближний порядок;
Б) дальний порядок.
2. Расстояния a, b и c между центрами атомов, находящихся в соседних узлах элементарной ячейки, называется:
А) базисом решетки;
Б) периодами решетки.
1.1. 2. 3. Какие тип элементарных ячеек кристаллических решеток представлен на рис.1?
Рис.1
А) гранецентрированная кубическая (ГЦК);
Б) объемно центрированная кубическая (ОЦК);
В) гексагональная плотноупакованная (ГПУ) решетка.
Рис. 6. Краевая дислокация.
Линейная атомная полуплоскость PQQ’P’ называется экстраплоскостью, а нижний край экстраплоскости – линией дислокации. Если экстраплоскость находится в верхней части кристалла, то дислокацию называют положительной и обозначают знаком "┴", а если в нижней - то отрицательной и обозначают знаком “┬”.. Дислокации одного знака отталкиваются, а противоположных – притягиваются. Сближение дислокаций разного
знака приводит к их взаимному уничтожению (аннигиляции). Из приведенной схемы видно, что атомы над краевой дислокацией испытывают сжатие, а нижние атомы – растяжение.
Помимо краевых дислокаций в кристаллах могут образовываться и винтовые дислокации (рис.7). Винтовая дислокация, образованная вращением по часовой стрелке, называется правой, а против часовой стрелки – левой.
|
Вблизи линии дислокации атомы смещены со своих мест и кристаллическая решетка искажена, что вызывает образование поля напряжений; выше линии дислокации решетка сжата, а ниже – растянута.
Рис. 7. Винтовая дислокация.
Энергия искажения кристаллической решетки характеризуется с помощью вектора Бюргерса. Этот вектор может быть получен, если, переходя от узла к узлу, обвести замкнутый контур в реальном кристалле, заключив дислокацию внутрь контура (рис.8). Участок ВС будет состоять из шести отрезков, а участок DA из пяти. Разница ВС – DA = b, где b есть величина вектора Бюргерса.
Рис. 8. Схема определения вектора Бюргерса для краевой дислокации:
Рис. 9. Схема строения зерен и границ между ними.
Граница между зернами представляет собой узкую переходную зону шириной 5 – 10 атомных расстояний. В граничной зоне кристаллическая решетка одного зерна переходит в решетку другого.
Неупорядоченное строение переходного слоя усугубляется скоплением в этой зоне дислокаций и повышенной концентрацией примесей. Плоскости и направления скольжения в соседних зернах не совпадают. Скольжение первоначально развивается в наиболее благоприятно ориентированных зернах. Разная ориентировка систем скольжения не позволяет дислокациям переходить в соседние зерна, и, достигнув границы зерен, они останавливаются. Напряжения от скопления дислокаций у границ одних зерен упруго распространяются через границы в соседние зерна, в результате чего в них приводятся в действие источники образования новых дислокаций. Вследствие того, что границы зерен препятствуют перемещению дислокаций и являются местом повышенной концентрации примесей, они оказывают существенное влияние на механические свойства металла.
Рис. 10. Схема пластической деформации путем последовательного перемещения дислокации в простой кубической решетке
а – исходное состояние краевой дислокации; б – контур Бюргерса вокруг дислокации;
Рис. 11. Влияние искажений кристаллической решетки на прочность кристаллов.
При ограниченной плотности дислокаций процесс сдвига происходит тем легче, чем больше дислокаций в металле. С ростом напряжений возрастает число источников дислокаций и их плотность увеличивается. Помимо
параллельных дислокаций возникают дислокации в разных плоскостях и направлениях. Дислокации воздействуют друг на друга, мешают друг другу перемещаться.
С повышением плотности дислокаций их движение становится все более затрудненным, что требует увеличения прилагаемой нагрузки для продолжения деформации. В результате металл упрочняется, что соответствует правой ветви кривой на рис.11.
Упрочнению способствуют и другие несовершенства кристаллического строения, также тормозящие движение дислокаций. К ним относятся атомы растворенных в металле примесей и легирующих элементов, частицы выделения второй фазы, границы зерен и т.д.
На практике препятствие движению дислокаций, т.е. упрочнение, создается введением других элементов (легированием), наклепом, термической или термомеханической обработкой. Снижение температуры также препятствует свободному перемещению дислокаций. При низких температурах прочность растет, а пластичность падает. Металл становится прочным, но хрупким.
Таким образом, повышение прочности металлов и сплавов может быть достигнуто двумя путями:
1) получением металлов с более близким к идеальному строением кристаллической решетки, т.е. металлов, в которых отсутствуют дефекты кристаллического строения или же их число крайне мало;
2) либо, наоборот, увеличением числа структурных несовершенств, препятствующих движению дислокаций.
Что называют текстурой?
Такая мнимая изотропность металла не будет наблюдаться, если кристаллы имеют одинаковую преимущественную ориентацию в каких-то направлениях. Эта ориентированность, или текстура, создается, например, в результате значительной холодной деформации. В этом случае поликристаллический металл приобретает анизотропию свойств. Свойства деформированного металла вдоль и поперек направления деформации могут существенно различаться.
Тема 1. Кристаллическое строение металлов. Полиморфизм. Дефекты в кристаллах. Теоретическая и фактическая прочность. Влияние кристаллического строения на механические свойства металлов. Анизотропия.
|
|
Двойное оплодотворение у цветковых растений: Оплодотворение - это процесс слияния мужской и женской половых клеток с образованием зиготы...
Наброски и зарисовки растений, плодов, цветов: Освоить конструктивное построение структуры дерева через зарисовки отдельных деревьев, группы деревьев...
Семя – орган полового размножения и расселения растений: наружи у семян имеется плотный покров – кожура...
Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰)...
© cyberpedia.su 2017-2024 - Не является автором материалов. Исключительное право сохранено за автором текста.
Если вы не хотите, чтобы данный материал был у нас на сайте, перейдите по ссылке: Нарушение авторских прав. Мы поможем в написании вашей работы!