производство и поставка оборудования для механических испытаний, неразрушающего контроля, химического анализа и визуального контроля, диагностического оборудования, приборов визуального контроля, систем контроля доступа персонала, элементов систем умного производства. Испытательная лаборатория. Сервисный центр

Глава 2.3. Строение реальных металлов

Реальное строение металлов значительно отличается от идеального. При идеальном строении кристаллов (металлов) все атомы теоретически должны находиться строго в узлах кристаллической решетки. Теоретическая прочность такого металла чрезвычайно высока. Так, теоретическая прочность при сдвиге (под действием касательных напряжений) сдв = G/(2), где G— модуль сдвига (модуль Юнга). В соответствии с этой формулой теоретический предел прочности железа должен составлять примерно 13000 МПа, при такой прочности проволока диаметром 1 мм выдержала бы груз массой более тонны (для железа G = 80 ГПа).

В действительности же, прочность железа примерно в 100 раз меньше — 150 МПа. Такое несоответствие объясняется различием идеального и реального строения металлов.

Во-первых, технические металлы состоят из большого количества кристаллов (зерен), т.е. являются поликристаллическими веществами. При этом кристаллы (зерна) в реальном металле не имеют правильной формы и идеально упорядоченного расположения атомов. Во-вторых, даже в самих поликристаллах имеются различного рода несовершенства (дефекты). Различают точечные, линейные и поверхностные несовершенства кристаллического строения.

Точечные дефекты малы во всех трех измерениях. К ним относят вакансии и междоузельные (дислоцированные) атомы (рис. 2.5). Образование точечных дефектов связано с диффузионным перемещением атомов под действием тепловых колебаний. С повышением температуры металла число вакансий растет.

Точечные дефекты оказывают влияние на некоторые физические свойства металлов (электропроводность, магнитные свойства и т.д.) и фазовые превращения в металлах и сплавах.

Линейные дефекты имеют малые размеры в двух измерениях и большую протяженность в третьем измерении. Эти несовершенства называются дислокациями. Дислокации образуются в процессе кристаллизации и главным образом при деформации металла. Различают краевые, винтовые и смешанные дислокации.

Рассмотрим краевую дислокацию — она представляет собой искажение строения в виде лишней полуплоскости атомов (экстраплоскости) в верхней части кристаллической решетки (рис. 2.6). Краевая дислокация простирается в длину на тысячи атомных рядов; она может быть прямой, а также изгибаться в ту или другую сторону. Наличие дислокаций главным образом и определяет прочность металлов. В идеальном металле для сдвига одной его части относительно другой необходимо одновременно разрушить (разорвать) все межатомные связи. При наличии дислокаций это достигается не одновременным разрушением всех межатомных связей, а последовательным — одна за другой, — при этом происходит перемещение дислокации (рис. 2.7). Естественно, что для этого требуется приложение значительно меньших усилий. Дислокации могут перемещаться при очень малых напряжениях — меньше 104 Па.

Рис. 2.5. Схема точечных дефектов: а — дислоцированный атом; 6 — вакансия

Рис. 2.6. Линейный дефект кристаллической решетки — краевая дислокация

Рис. 2.7. Схема скольжения краевой дислокации: а – г — этапы перемещения дислокации

Поскольку пластическая деформация облегчается за счет скольжения дислокаций, то повышение прочности может быть достигнуто либо получением металла идеального строения, либо за счет создания препятствий на пути движения дислокаций. Препятствиями могут служить другие дислокации, атомы примесей, границы зерен, т.е., дефекты строения решетки (рис. 2.8).

Рис. 2.8. Зависимость прочности металла от искажений кристаллической решетки

Прочность, близкую к теоретической, имеют очень тонкие без-дислокационные кристаллы, получившие название усы; для реальных деталей ее получить пока невозможно. Поэтому увеличить прочность удается за счет повышения плотности дефектов с помощью различных механизмов упрочнения (наклепа, дисперсионного твердения и др.).

Поверхностные дефекты малы только в одном измерении. К ним относятся поверхности раздела между отдельными зернами. Граница между зернами представляет собой переходную область шириной до 10 межатомных расстояний, в которой решетка одного зерна, имеющего определенную кристаллографическую ориентацию, переходит в решетку другого зерна с иной кристаллографической ориентацией. Переходный слой имеет сложное строение: в нем нарушено правильное расположение атомов (рис. 2.9), повышена концентрация примесей, имеются скопления дислокаций.

Рис. 2.9. Размещение атомов внутри зерна и на границе между зернами

Границы зерен препятствуют перемещению дислокаций. Дислокация не может перейти границу зерна, так как в новом зерне плоскость скольжения не совпадает с плоскостью движения этой дислокации. Протяженность границ тем больше, чем меньше величина зерен. Поскольку увеличение протяженности границ создает больше барьеров перемещению дислокаций, измельчение зерна приводит к повышению пределов прочности и текучести металлических материалов. Зависимость предела текучести от величины зерна следующая:

где σ0 и κ — константы материала; d — размер зерна.

С 2011 года научно-производственное предприятие «УКРИНТЕХ» успешно работает и развивается в области контроля качества материалов и изделий.

Контакты

ООО НПП "Укринтех":
г. Харьков, ул.Ковтуна, д.50, корпус "А-5"

Для почты:
а/я 2304, Харьков-1, 61001, Украина

ООО НПП "Укринтех"
+38 (050) 499-09-89; +38 (067) 560-89-39
+38 (067) 575-45-10; +38 (057) 768-09-02

"ЦНИ Лаборатория"
+38 (098) 262-48-92

Компания

Производство и поставка
испытательного оборудования, оборудования для металлографии, приборов НК и др.

Сервисный центр
Ремонт, сервисное обслуживание и модернизация оборудования.

Центр независимых исследований
Аккредитованная испытательная лаборатория.