Влияние дефектов строения металлов на их механическую прочность

В гл. 1.6 рассматривались основные виды дефектов кристалличе­ской решетки. Было отмечено, что если точечные дефекты преиму­щественно влияют на удельную электропроводность материалов, и в частности металлов, то линейные дефекты (плотность дислокаций) на механические свойства.

На механические свойства металлов влияют также поверхност­ные дефекты. На границах зерен металлов скапливаются легкоплав­кие неметаллические примеси (например, сульфиды и фосфиды (FeS, Fe₃P), окислы, мелкие поры и т. д.), которые резко ухудшают механические свойства. Тугоплавкие включения (например, MnS (Т_ш = 1620°С), А1₂0₃ (7^ = 2050°С)), наоборот, входят внутрь зерна; они являются центрами кристаллизации, и при этом образуется мел­козернистая структура, что приводит к существенному улучшению механических свойств.

Наличие в реальных кристаллах большого количества дислока­ций и вакансий приводит к значительному снижению механической прочности. Например, предел прочности на сдвиг у реальных кри­сталлов на 3—4 десятичных порядка ниже расчетной прочности иде­альных кристаллов. Или — у технически чистого отожженного об­разца Fe, содержащего 0,1—0,2% примеси, предел прочности на разрыв а_в = 28 кгс/мм² (280 МПа), а у нитевидных кристаллов («усов») чистого Fe с содержанием примеси 0,001 %, у которых де­фекты сведены к минимуму (практически нет), а_в = 1336 кгс/мм² (13360 МПа), т. е. у «усов» о_в больше в ~48 раз, чем у технически чистого Fe. Однако у стали (Fe «испорченное» углеродом и другими присадками и поэтому имеющему высокую концентрацию дефектов)
(У больше, чем у чистого Fe, в 6—8 раз и имеет величину 180—220 кгс/мм² (1800-2200 МПа).

Приведенные цифры показывают, что самую высокую прочность имеет Fe, содержащее либо минимальную, либо максимальную кон­центрацию дефектов. Следовательно, прочность кристаллических тел с увеличением концентрации дефектов (плотности дислокаций) до какого-то предела снижается, а далее возрастает (рис. 10.6). Это явление объясняет дислокационная теория пластической деформа­ции. Рассмотрим ее кратко.

X sr оо.

Реальная прочность

металлов и сплавов

Плотность дислокаций

Рис. 10.6. Зависимость прочности металлов от концентрации дефектов (плотности дислокаций)

а

Важнейшее свойство дислокаций — их легкая подвижность и ак­тивное взаимодействие между собой и другими дефектами решетки. Это взаимодействие затрудняет движение дислокаций в кристалле и тем самым упрочняет его. С увеличением пластической деформации кристалла плотность дислокаций возрастает в тысячи, иногда — в миллионы раз (в недеформированных металлических кристаллах че­рез площадку в 1 см² проходит 10⁶—10⁸ дислокаций). При этом воз­растает также концентрация других дефектов, которые затрудняют перемещение дислокаций, и для своего преодоления требуют более высокое напряжение. В результате металл упрочняется. Особенно сильное тормозящее действие движению дислокаций оказывают гра­ницы зерен и блоков в них. Таким образом, дефекты кристалличе­ской решетки металла являются тем препятствием, которое затруд­няет движение дислокаций и приводит к упрочнению металла. Поэтому, чтобы повысить прочность металлов, необходимо либо уменьшить концентрацию дефектов в них, получая бездефектные кристаллы, например нитевидные кристаллы («усы»), либо создавать поликристаллические однородные тела с повышенной плотностью дислокаций, подвижность которых ограничивают легированием, за­калкой или наклепом металла. При этом плотность дислокаций не должна превышать 10¹²—10¹³ см^-2, так как при большей плотности
дислокаций металл становится хрупким. На практике обычно следу­ют по второму пути.

Легирование — это введение в металл небольших количеств спе­циальных примесей, которые приводят к значительным его струк­турным изменениям. Легирующие добавки сильно взаимодействуют с дислокациями и затрудняют их движение, упрочняя тем самым металл (см. гл. 10.6.3).

Закалка — это термическая обработка, заключающаяся в нагреве металла выше температуры фазового превращения в твердом состоя­нии, выдерживании при этой температуре и контролируемом уско­ренном охлаждении. В результате этих операций в металле увеличи­вается концентрация дефектов, в том числе плотность дислокаций, а также образуется мелкозернистая структура, поэтому протяженность границы между зернами резко возрастает (увеличивается суммарная удельная поверхность зерен). Сама же граница труднопроходима для дислокаций, что приводит к затруднению их движения и упрочне­нию металла (см. гл. 10.5.3).

Наклеп — это обработка металлической заготовки путем прокат­ки, ковки или волочения. В результате пластической деформации металла увеличивается плотность дислокаций (и концентрация дру­гих дефектов), а главное — дислокации при этой обработке перепле­таются, что приводит к затруднению их движения и упрочнению ме­талла. На этом принципе было основано производство дамасской стали.

Указанные технологические операции (легирование, закалка, на­клеп) создают оптимальную концентрацию дислокаций. Известно, что наибольшее упрочнение металлов достигается при плотности дислокаций порядка 10¹²—10¹³ на площадь в 1 см^-2 (у совершенных кристаллов Si и Ge — 10²—10³ на 1 см^-2, а у недеформированных ме­таллических кристаллов 10⁶—10⁸ на 1 см^-2).

10.3. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ СПЛАВЫ, СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА

Чистые металлы (содержание основного компонента 99,99— 99,999 %) обладают низкой прочностью, поэтому их в технике ис­пользуют редко (кроме Си и А1 в электротехнике). Металлические сплавы наиболее широко применяют в технике в качестве конструк­ционных материалов.

Сплавом называют материал, состоящий из двух или большего числа химических элементов, являющихся компонентами сплава. В металлических сплавах основным компонентом (более 50 %) явля­ется металл. Так же как и чистые металлы, сплавы построены из кристаллических зерен.

У сплавов более высокая механическая прочность, удельное электрическое сопротивление, стойкость к коррозии и т. д.

Сплавы (кроме сплавов с неорганической растворимостью ком­понентов в твердом состоянии) представляют системы, состоящие из нескольких фаз, находящихся в равновесии при определенных внешних условиях (температуре, давлении).

Фазой называют однородную по химическому составу и строе­нию часть системы, отделенную от другой части системы поверхно­стью раздела, при переходе через которую изменяются состав, строе­ние и свойства сплава.

В жидком состоянии компоненты сплава обычно полностью рас­творимы друг в друге, т. е. образуют жидкий раствор. В твердом со­стоянии сплавы образуют гетерогенные структуры, твердые растворы или химические соединения. Закономерности изменения строения и свойств этих типов сплавов установлены исследованиями Н.С. Кур- накова и А.А. Бочвара.

Диаграммой состояния называют графическое изображение, в ко­тором отражены фазовый состав и структура сплавов в зависимости от концентрации компонентов и температуры в условиях равнове­сия, т. е. когда в сплавах все фазовые превращения полностью завер­шились.

Дата добавления: 2015-08-09