Лекции для ТО. Конспект лекций по учебной дисциплине Материаловедение
 Скачать 3.21 Mb.
|
|
Понятие об изотропии и анизотропии. Особенности металлов, как тел имеющих кристаллическое строение. Из изложенного выше уясним, что характерные признаки металлов обусловлены их внутренним строением, т. е. структурой. Геометрическая правильность расположения атомов в кристаллических решётках придаёт металлам особенности, которых нет у аморфных тел. 1.Первой особенностью металлов является анизотропия свойств кристаллов, т. е. различие свойств кристаллов в разных направлениях. Свойства тела зависят от природы атомов, из которых оно состоит, и от силы взаимодействия между этими атомами. Силы взаимодействия между атомами в значительной степени определяются расстояниями между ними. В аморфных телах с хаотическим расположением атомов в пространстве расстояния между атомами в различных направлениях равны, следовательно, свойства будут одинаковые, то есть аморфные тела изотропны. В кристаллических телах атомы правильно располагаются в пространстве, причем по разным направлениям расстояния между атомами неодинаковы, что предопределяет существенные различия в силах взаимодействия между ними и, в конечном результате, разные свойства. Зависимость свойств от направления называется анизотропией Чтобы понять явление анизотропии необходимо выделить кристаллографические плоскости и кристаллографические направления в кристалле. Плоскость, проходящая через узлы кристаллической решетки, называется кристаллографической плоскостью. Прямая, проходящая через узлы кристаллической решетки, называется кристаллографическим направлением. Для обозначения кристаллографических плоскостей и направлений пользуются индексами Миллера. Чтобы установить индексы Миллера, элементарную ячейку вписывают в пространственную систему координат (оси X,Y, Z – кристаллографические оси). За единицу измерения принимается период решетки.  Рис.1.3. Примеры обозначения кристаллографических плоскостей (а) и кристаллографических направлений (б) Для определения индексов кристаллографической кристаллографической плоскости необходимо: установить координаты точек пересечения плоскости с осями координат в единицах периода решетки; взять обратные значения этих величин; привести их к наименьшему целому кратному, каждому из полученных чисел. Полученные значения простых целых чисел, не имеющие общего множителя, являются индексами Миллера для плоскости, указываются в круглых скобках. Примеры обозначения кристаллографических плоскостей на рис. 1.3 а. Другими словами, индекс по оси показывает на сколько частей плоскость делит осевую единицу по данной оси. Плоскости, параллельные оси, имеют по ней индекс 0 (110) Ориентация прямой определяется координатами двух точек. Для определения индексов кристаллографического направления необходимо: одну точку направления совместить с началом координат; установить координаты любой другой точки, лежащей на прямой, в единицах периода решетки привести отношение этих координат к отношению трех наименьших целыж чисел. Индексы кристаллографических направлений указываются в квадратных скобках [111] В кубической решетке индексы направления, перпендикулярного плоскости (hkl) имеют те же индексы [hkl]. У металлических тел анизотропия свойств не выражена так резко, как у отдельных кристаллов. Металлы являются поликристаллическими телами, т. е. они состоят не из одного, а из бесчисленного количества кристаллов, по-разному ориентированных. Произвольность ориентировки каждого кристалла приводит к тому, что в любом направлении располагается приблизительно одинаковое количество различно ориентированных кристаллов. В результате получается, что свойства поликристаллических тел будут одинаковы во всех направлениях -----это явление получило название «квазиизотропия» (ложная изотропия). 2.Второй особенностью металлов как тел кристаллического строения является наличие у них плоскостей скольжения (спайности). По этим плоскостям происходит сдвиг или отрыв (разрушение) частиц кристаллов под действием внешних усилий. У аморфных тел смещение частиц происходит не по определённым плоскостям, а беспорядочно. Излом аморфного тела всегда имеет неправильную, искривлённую форму. 3.Третьей особенностью металлов как тел кристаллического строения является то, что процесс перехода их из твёрдого состояния в жидкое и наоборот происходит при определённой температуре, называемой температурой плавления (затвердевания). Аморфные тела переходят в жидкое состояние постепенно и не имеют определённой температуры плавления. Дефекты кристаллического строения. Из жидкого расплава можно вырастить монокристалл. Их обычно используют в лабораториях для изучения свойств того или иного вещества. Металлы и сплавы, полученные в обычных условиях, состоят из большого количества кристаллов, то есть, имеют поликристаллическое строение. Эти кристаллы называются зернами. Они имеют неправильную форму и различно ориентированы в пространстве. Каждое зерно имеет свою ориентировку кристаллической решетки, отличную от ориентировки соседних зерен, вследствие чего свойства реальных металлов усредняются, и явления анизотропии не наблюдается В кристаллической решетке реальных металлов имеются различные дефекты (несовершенства), которые нарушают связи между атомами и оказывают влияние на свойства металлов. Различают следующие структурные несовершенства: точечные – малые во всех трех измерениях; линейные – малые в двух измерениях и сколь угодно протяженные в третьем; поверхностные – малые в одном измерении. Точеные дефекты Одним из распространенных несовершенств кристаллического строения является наличие точечных дефектов: вакансий, дислоцированных атомов и примесей. (рис. 2.1.)  Рис.2.1. Точечные дефекты Вакансия – отсутствие атомов в узлах кристаллической решетки, «дырки», которые образовались в результате различных причин. Образуется при переходе атомов с поверхности в окружающую среду или из узлов решетки на поверхность (границы зерен, пустоты, трещины и т. д. ), в результате пластической деформации, при бомбардировке тела атомами или частицами высоких энергий (облучение в циклотроне или нейтронной облучение в ядерном реакторе). Концентрация вакансий в значительной степени определяется температурой тела. Перемещаясь по кристаллу, одиночные вакансии могут встречаться. И объединяться в дивакансии. Скопление многих вакансий может привести к образованию пор и пустот. Дислоцированный атом – это атом, вышедший из узла решетки и занявший место в междоузлие. Концентрация дислоцированных атомов значительно меньше, чем вакансий, так как для их образования требуются существенные затраты энергии. При этом на месте переместившегося атома образуется вакансия. Примесные атомы всегда присутствуют в металле, так как практически невозможно выплавить химически чистый металл. Они могут иметь размеры больше или меньше размеров основных атомов и располагаются в узлах решетки или междоузлиях. Точечные дефекты вызывают незначительные искажения решетки, что может привести к изменению свойств тела (электропроводность, магнитные свойства), их наличие способствует процессам диффузии и протеканию фазовых превращений в твердом состоянии. При перемещении по материалу дефекты могут взаимодействовать. Линейные дефекты: Основными линейными дефектами являются дислокации. Априорное представление о дислокациях впервые использовано в 1934 году Орованом и Тейлером при исследовании пластической деформации кристаллических материалов, для объяснения большой разницы между практической и теоретической прочностью металла. Дислокация – это дефекты кристаллического строения, представляющие собой линии, вдоль и вблизи которых нарушено характерное для кристалла правильное расположение атомных плоскостей. Простейшие виды дислокаций – краевые и винтовые. Краевая дислокация представляет собой линию, вдоль которой обрывается внутри кристалла край “лишней“ полуплоскости (рис. 2.2)  а) б) Рис. 2.2. Краевая дислокация (а) и механизм ее образования (б) Неполная плоскость называется экстраплоскостью. Большинство дислокаций образуются путем сдвигового механизма. Ее образование можно описать при помощи следующей операции. Надрезать кристалл по плоскости АВСD, сдвинуть нижнюю часть относительно верхней на один период решетки в направлении, перпендикулярном АВ, а затем вновь сблизить атомы на краях разреза внизу. Наибольшие искажения в расположении атомов в кристалле имеют место вблизи нижнего края экстраплоскости. Вправо и влево от края экстраплоскости эти искажения малы (несколько периодов решетки), а вдоль края экстраплоскости искажения простираются через весь кристалл и могут быть очень велики (тысячи периодов решетки) (рис. 2.3). Если экстраплоскость находится в верхней части кристалла, то краевая дислокация – положительная ( ), если в нижней, то – отрицательная ( ). Дислокации одного знака отталкиваются, а противоположные притягиваются.  Рис. 2.3. Искажения в кристаллической решетке при наличии краевой дислокации Другой тип дислокаций был описан Бюргерсом, и получил название винтовая дислокация Винтовая дислокация получена при помощи частичного сдвига по плоскости Q вокруг линии EF (рис. 2.4) На поверхности кристалла образуется ступенька, проходящая от точки Е до края кристалла. Такой частичный сдвиг нарушает параллельность атомных слоев, кристалл превращается в одну атомную плоскость, закрученную по винту в виде полого геликоида вокруг линии EF, которая представляет границу, отделяющую часть плоскости скольжения, где сдвиг уже произошел, от части, где сдвиг не начинался. Вдоль линии EF наблюдается макроскопический характер области несовершенства, в других направлениях ее размеры составляют несколько периодов. Если переход от верхних горизонтов к нижним осуществляется поворотом по часовой стрелке, то дислокация правая, а если поворотом против часовой стрелки – левая.  Рис. 2.4. Механизм образования винтовой дислокации Винтовая дислокация не связана с какой-либо плоскостью скольжения, она может перемещаться по любой плоскости, проходящей через линию дислокации. Вакансии и дислоцированные атомы к винтовой дислокации не стекают. В процессе кристаллизации атомы вещества, выпадающие из пара или раствора, легко присоединяются к ступеньке, что приводит к спиральному механизму роста кристалла. Линии дислокаций не могут обрываться внутри кристалла, они должны либо быть замкнутыми, образуя петлю, либо разветвляться на несколько дислокаций, либо выходить на поверхность кристалла. Дислокационная структура материала характеризуется плотностью дислокаций. Плотность дислокаций в кристалле определяется как среднее число линий дислокаций, пересекающих внутри тела площадку площадью 1 м2, или как суммарная длина линий дислокаций в объеме 1 м3 (см-2; м-2) Плотность дислокаций изменяется в широких пределах и зависит от состояния материала. После тщательного отжига плотность дислокаций составляет 105…107 м-2, в кристаллах с сильно деформированной кристаллической решеткой плотность дислокаций достигает 1015…10 16 м –2. Плотность дислокации в значительной мере определяет пластичность и прочность материала (рис. 2.5)  Рис. 2.5. Влияние плотности дислокаций на прочность Минимальная прочность определяется критической плотностью дислокаций Если плотность меньше значения а, то сопротивление деформированию резко возрастает, а прочность приближается к теоретической. Повышение прочности достигается созданием металла с бездефектной структурой, а также повышением плотности дислокаций, затрудняющим их движение. В настоящее время созданы кристаллы без дефектов – нитевидные кристаллы длиной до 2 мм, толщиной 0,5…20 мкм - “усы“ с прочностью, близкой к теоретической: для железа = 13000 МПа, для меди =30000 МПа. При упрочнении металлов увеличением плотности дислокаций, она не должна превышать значений 1015…10 16 м –2. В противном случае образуются трещины. Дислокации влияют не только на прочность и пластичность, но и на другие свойства кристаллов. С увеличением плотности дислокаций возрастает внутреннее, изменяются оптические свойства, повышается электросопротивление металла. Дислокации увеличивают среднюю скорость диффузии в кристалле, ускоряют старение и другие процессы, уменьшают химическую стойкость, поэтому в результате обработки поверхности кристалла специальными веществами в местах выхода дислокаций образуются ямки. Дислокации образуются при образовании кристаллов из расплава или газообразной фазы, при срастании блоков с малыми углами разориентировки. При перемещении вакансий внутри кристалла, они концентрируются, образуя полости в виде дисков. Если такие диски велики, то энергетически выгодно “захлопывание” их с образованием по краю диска краевой дислокации. Образуются дислокации при деформации, в процессе кристаллизации, при термической обработке. Поверхностные дефекты– границы зерен, фрагментов и блоков (рис. 2.6).  Рис. 2.6. Разориентация зерен и блоков в металле Размеры зерен составляют до 1000 мкм. Углы разориентации составляют до нескольких десятков градусов ( ). Граница между зернами представляет собой тонкую в 5 – 10 атомных диаметров поверхностную зону с максимальным нарушением порядка в расположении атомов. Строение переходного слоя способствует скоплению в нем дислокаций. На границах зерен повышена концентрация примесей, которые понижают поверхностную энергию. Однако и внутри зерна никогда не наблюдается идеального строения кристаллической решетки. Имеются участки, разориентированные один относительно другого на несколько градусов ( ). Эти участки называются фрагментами. Процесс деления зерен на фрагменты называется фрагментацией или полигонизацией. В свою очередь каждый фрагмент состоит из блоков, размерами менее 10 мкм, разориентированных на угол менее одного градуса ( ). Такую структуру называют блочной или мозаичной. 3. Для изучения атомно-кристаллического строения твердых тел (тонкое строение) используются рентгенографические методы, позволяющие устанавливать связь между химическим составом, структурой и свойствами тела, тип твердых растворов, микронапряжения, концентрацию дефектов, плотность дислокаций Методы исследования структуры металлов и сплавов: а.Макроскопический анализ. б.Микроскопический анализ. в.Рентгеноструктурный анализ и рентгеновская дефектоскопия. а.Макроскопический анализ. Различают макроструктуру, микроструктуру и тонкую структуру. Строение металлов и сплавов, видимое невооружённым глазом или при небольших увеличениях с помощью лупы (до 30 раз), называется макроструктурой. Макроструктура изучается путём макроанализа. Так как металлы -- вещества непрозрачные, то их строение изучают в изломе или специально приготовленных образцах -- макрошлифах. Образец вырезают из определённого места, в определённой плоскости в зависимости от того, что подвергают исследованию -- литьё, поковку, штамповку, прокат, сварную или термически обработанную деталь -- и что требуется выявить и изучить - первичную кристаллизацию, дефекты, нарушающие сплошность металла, неоднородность структуры….. . Поэтому образцы вырезают из одного или нескольких мест слитка, заготовки или детали как в продольном, так и в поперечном направлениях. Поверхность образца (темплета) выравнивают на наждачном круге, затем шлифуют. После шлифования темплет травят в специальных реактивах, которые по-разному растворяют структурные составляющие и растравливают дефекты. Макроанализ шлифов выявляет различные пороки в слитках и отливках (усадочные раковины, газовые пузыри, трещины…); вид излома (вязкий, хрупкий); величину, форму и расположение зерен и дендритов литого металла; дефекты, нарушающие сплошность металла (усадочную пористость, газовые пузыри, раковины, трещины); химическую неоднородность металла, вызванную процессами кристаллизации или созданную термической и химико-термической обработкой; расположение волокон в кованных и штампованных заготовках; трещины, возникающие при обработке давлением или термической обработке, дефекты в сварных швах. б.Микроскопический анализ. Более тонким методом исследования структуры и пороков металлов является микроанализ, т. е. изучение структуры металлов при больших увеличениях с помощью металлографического микроскопа. Микроструктурный анализ – изучение поверхности при помощи световых микроскопов. Увеличение – 50…2000 раз. Позволяет обнаружить элементы структуры размером до 0,2 мкм. Металлографический микроскоп рассматривает металл в отражённом свете, чем и отличается от биологического микроскопа, где предмет рассматривается в проходящем свете. Значительно большее увеличение можно получить при помощи электронного микроскопа, в котором лучи света заменены потоком электронов (увеличение достигается при этом до 100 000 раз). Просвечивающие микроскопы. Поток электронов проходит через изучаемый объект. Изображение является результатом неодинакового рассеяния электронов на объекте. Различают косвенные и прямые методы исследования. При косвенном методе изучают не сам объект, а его отпечаток – кварцевый или угольный слепок (реплику), отображающую рельеф микрошлифа, для предупреждения вторичного излучения, искажающего картину. При прямом методе изучают тонкие металлические фольги, толщиной до 300 нм, на просвет. Фольги получают непосредственно из изучаемого металла. Растровые микроскопы. Изображение создается за счет вторичной эмиссии электронов, излучаемых поверхностью, на которую падает непрерывно перемещающийся по этой поверхности поток первичных электронов. Изучается непосредственно поверхность металла. Разрешающая способность несколько ниже, чем у просвечивающих микроскопов. Для изучении микроструктуры также приготавливаются шлифы -- микрошлифы, но после шлифования дополнительно производится полирование до зеркального блеска, затем производят травление шлифа. Микроанализ позволяет выявить: величину, форму и расположение зёрен, отдельные структурные составляющие сплава, на основании которых можно определить химический состав отожженных углеродистых сталей, качество тепловой обработки, например, глубину проникновения закалки, такие дефекты, как пережог, обезуглероживание, наличие неметаллических включений… . в.Рентгеноструктурный анализ и рентгеновская дефектоскопия. Рентгеновские лучи имеют ту же природу, что и световые лучи, т. е. представляют собой электромагнитные колебания, но длина их волн другая: световых лучей от 7,5 х10-5 до 4 х10-5 см, рентгеновских -- от 2 х10-7 до 10-9 см. Рентгеновские лучи получаются в рентгеновских трубках в результате торможения электронов при их столкновении с поверхностью какого-либо металла. При этом кинетическая энергия электронов превращается в энергию рентгеновских лучей. Рентгеноструктурный анализ основан на способности атомов в кристаллической решётке отражать рентгеновские лучи. Отражённые лучи оставляют на фотопластинке (рентгенограмме) группу пятен или колец. По характеру расположения этих колец (пятен) определяют тип кристаллической решётки, а также расстояние между атомами (положительными ионами) в решётке. Рентгеновское просвечивание основано на способности рентгеновских лучей проникать в глубь тела. Благодаря этому можно, не разрезая металлических изделий, увидеть на рентгеновском снимке различные внутренние дефекты металла: трещины, усадочные раковины, пороки сварки… . Методы регистрации пороков в материале основаны на том, что рентгеновские лучи, проходя через металл, частично поглощаются. При этом менее плотные части металлического изделия (участки с пороками) поглощают лучи слабее, чем плотные (сплошной металл). Это приводит к тому, что на рентгеновском снимке участки с пороками будут иметь тёмные или светлые пятна на фоне сплошного металла. Современные рентгеновские аппараты позволяют просвечивать стальные изделия на глубину до 60 – 100 мм. Для выявления дефектов в металлических изделиях большой толщины начали применять гамма-лучи. Природа гамма-лучей аналогична рентгеновским, но длина волны их меньше. Благодаря большой проникающей способности гамма-лучей ими можно просвечивать стальные детали толщиной до 300 мм. Контрольные вопросы. Что называют структурой металлов? В чём различие между макро- и микроструктурой металлов? Какими способами исследуется макроструктура? В чём состоит различие макро- и микрошлифами? **Почему металлографические микроскопы работают не на проходящем, а на отражённом свете? Почему отдельные кристаллы анизотропны, а свойства металлических изделий одинаковы во всех направлениях? Какие свойства присущи телам кристаллического строения в отличие от аморфных тел? Какова природа рентгеновских лучей и как они образуются? Как определяется тип кристаллической решётки металла? Какие типы кристаллических решёток вы знаете? **Каким из известных вам способов можно обнаружить газовую раковину в стальной отливке на глубине 200 мм, не разрушая заготовки? Задание: Из перечисленных ниже твёрдых веществ назовите вещества, имеющие определённую температуру плавления: свинец, стекло, медь, янтарь, клей, магний, воск, железо, канифоль, титан. К каким телам вы их отнесёте? |