Дислокационная структура и прочность металлов

Учебное пособие

КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Раздел 1. Основы строения и свойств материалов.

Введение

Основные свойства материалов.

1. физические

· магнитные

· электрические

· тепловые: теплопроводность- теплоёмкость, температура плавления, кипения

· плотность и д. р.

2. химические

характеризует специфику межатомного воздействия материалов с другими материалами и окружающей средой (коррозия).

3. механические

· прочность

· твёрдость

· пластичность

· вязкость

4. технологические свойства

· литейные свойства

· ковкость

· свариваемость

· обрабатываемость

5. специальные

· жаропрочность

· жаростойкость

· сопротивляемость коррозии

· износостойкость

Знания о природе прочности и физическом механизме разрушения - основа выбора подходящих конструкций материалов, рациональных способов формирования прочных свойств при разработке технологических процессов обработки и выбора оборудования.

ГЛАВА 1 Строение и свойства материалов

Причиной различности состояний вещества при н.у. является соотношение энергий теплового хаотического движения частиц и энергии их взаимодействия. А энергия взаимодействия в свою очередь зависит от вида химической связи в молекуле. Вид этой связи также сказывается на том, какой это материал с точки зрения электромагнитных свойств.

1. Газообразное состояние W_т>> W_в

2. Жидкость W_т≈ W_в наблюдается только ближний порядок

Недиссоциированные жидкости — диэлектрики, расплавы и водные растворы электролита — проводники второго рода

3. твердые W_т<< W_в

аморфные — ближний порядок, свойства анизотропии, кристаллические – ближний и дальний порядок

4. полимеры – их строение не подходит под предыдущие группы, т.к. молекула имеет протяженность, ассиметричное цепное строение

Молекулы их состоят из звеньев с количеством повторов n, которая называется степенью полимеризации. Различают:

— мономер – исходный продукт

— олигомер – низкомолекулярный продукт

— полимер – высокомолекулярный продукт

Полимеры получаются с помощью реакции полимеризации, т.е. объединения в молекулярную цепь без образования побочных продуктов и поликонденсации – с образованием побочных продуктов (воды, аммиака и т.п.).

Строение молекул определяет свойства отдельных полимеров и бывает

1. Линейным

2. Разветвленным

3. пространственным

Молекулы 1 и 2 термопласты, а 3 – реактопласты.

Молекулы полимеров могут быть как полярными, так и неполярными.

Они могут формировать домены и глобулы, взаимное расположение которых и дефекты структуры определяют свойства полимеров. Изготовление меняет расположение структур и изменяет свойства материалов.

Так как полимер не может переходить в жидкое и газообразное состояние без разрушения цепей, то для него неактуальны значения температуры плавления и кипения. Для характеристики изменения свойств от температуры используют температуру стеклообразования (изоляция), высокоэластичности (оплетка кабеля) и вязкотекучести (переработка).

Температуру перехода можно регулировать введением пластификаторов и наполнителей. Пластификаторы позволяют уменьшить температуру перехода в высокоэластичное или вязкотекучее состояние, твердые наполнители удешевляют производство пластмасс, а активные изменяют структуру молекул и свойства материала.

Кристаллическое строение и свойства металлов.

Характерные свойства металлов: прочность, пластичность, электро- и теплопроводность и д. р. обусловлены их строением на межатомном и внутриатомном уровне.

Металлы- кристаллы, т. е. упорядоченные структуры, в которых атомы не перемещаются относительно друг друга.

При тепловых процессах могут происходить перемещения, называемые диффузией.

Существуют разные типы кристаллических решеток, которые удерживаются металлическими связями. Металлической называется связь посредствам электронного газа, характерна для металлов.

Прочность металла зависит от прочности упаковки его кристаллической решетки и особенно строения атомов. Плотность упаковки определяется числом атомов, приходящихся на одну ячейку решетки.

Анизотропия

На различных направлениях кристалла находится разное число атомов, что приводит к анизотропии - различности свойств по различным направлениям в кристалле.

Обычно анизотропия наблюдается в пределах одного зерна (монокристалла), а металлы- поликристаллы. Поэтому реальные металлы без специальной обработки изотропны (“псевдоизотропия”).

Аллотропия

Способность изменять кристаллическое строение при определённой температуре, перестраивая тип элементарной ячейки.

Другое название-полиморфизм.

Fe –t₁=911°С – ОЦК ® ТЦК t₂=1392°С ® ОЦК до t₃=1539°С- (t плавления ).

Дислокационная структура и прочность металлов - student2.ru ОЦК – объемно – центрированная решетка

ГЦК - кубическая гранецентрированная решетка

Причиной перестройки является стремление любого вещества обладать min запасом свободной энергии, которая зависит от абсолютной Т.

Разные аллотропические формы металлов обозначаются буквами греческого алфавита a, b, γ и т. д. с температуры перестройки.

Наличие у металлов полиморфных свойств имеет важное значение, т. к. при этом происходит изменение у металлов r, способность растворять другие элементы.

Именно благодаря полиморфизму сплавы на основе Fe, Ti и других металлов можно подвергать термической обработке для изменения их свойств.

Дислокационная структура и прочность металлов

Обнаруживается, что фактическая прочность металлов на 2 – 3 порядка ниже их теоретической прочности, т. к. эта прочность рассчитана для бездефектного металла. Но в реальном металле существуют концентраторы напряжений, металлургические дефекты и дефекты кристаллической решетки, важнейшими из которых являются дислокации.

Дефекты приводят к тому, что при нагружении межатомные силы действуют только на участке упругой деформации, а затем происходит пластическая, чей механизм отличен от упругой. Разрушение наступает раньше и продолжается более короткое время.

Прочность техническая в 1000 р. меньше теоретической.

Понятие о дефектах кристаллической решетки

1. Точечные дефекты