Как влияют дислокации на прочность металла


Дислокации и их влияние на структуру материала

Дислокациями называют линейные дефекты кристаллов, возникающие в процессе роста или пластической деформации. Различают краевые и винтовые дислокации, нарушающие правильное чередование атомных плоскостей.

Причиной краевой дислокации является отрыв одной из плоскостей внутри кристалла. Образование винтовой дислокации связано, в основном, с условиями роста кристалла, состоящего из одной атомной плоскости, изгибающейся по винтовой поверхности.

Дислокации в кристалле могут возникать при его росте и в том случае, когда растущие навстречу друг другу блоки или зерна повернуты один относительно другого. При срастании таких блоков образуются избыточные атомные плоскости, которые определяют текстуру реальных кристаллов.

Причиной образования дислокаций в кристалле могут быть также скопления точечных дефектов, в частности, вакансий.

В процессе пластической деформации происходит не одновременный сдвиг всех атомов данной плоскости, а последовательное перемещение связей между атомами, лежащими по обе стороны плоскости скольжения. Такое перераспределение связей предопределяет движение дислокаций от одной группы атомов к другой.

Количество дислокаций в кристаллических структурах очень велико. Число дислокационных линий, пересекающих 1 см2 внутри отожженных монокристаллов может достигать 104¸106 и более.

Схемы образования дислокаций представлены на рис. 3.4 и рис. 3.5.

а б

Рис. 3.4.Образование дислокаций на границах блоков:

а – два блока, растущих навстречу друг другу; б- дислокации, возникающие при срастании блоков

а б

Рис. 3.5. Образование дислокаций из скопления вакансий:

а - скопление вакансий в кристалле; б – положительная и отрицательная дислокации

Наличие дислокаций значительно снижает прочность реальных кристаллов, которые разрушаются при напряжениях, на несколько порядков меньших, чем идеальные.

Дислокации влияют на электрические, оптические, магнитные и другие свойства. Так, они повышают электросопротивление, снижают плотность, упругость, а также предельное напряжение сдвига материала. Последнее объясняется тем, что при сдвиге, т.е. при пластической деформации к имеющимся дислокациям присоединяются и вновь образованные.

Однако пластическая деформация и рост дефектов могут привести к упрочнению структуры. Это происходит в результате накопления дислокаций и взаимодействия их как между собой, так и с другими дефектами кристаллической решетки, что вызывает ее искажение и затрудняет перемещение дислокаций. Кроме того, атомы примесей, границы блоков, обособленные включения в решетки также затрудняют перемещение дислокаций, увеличивая сопротивление сдвигу.

Напрашивается вывод о положительной роли дислокаций, тем более, что в металловедении известны многие практические приемы упрочнения структуры металлов, такие как холодное деформирование (наклеп), введение примесей (легирование), создание обособленных включений (закалка) и др.

Следовательно, для упрочнения кристаллической структуры необходимо стремиться либо к большему развитию дефектов, либо к полному их устранению. На рис. 3.6 представлен график влияния роста дефектов на изменение прочности кристаллической структуры, который показывает, что максимальная прочность реальных кристаллов далека от теоретической.

Рис. 3.6. Зависимость сопротивления деформации от количества дефектов в кристалле

В продолжение освещения роли линейных дефектов, образующихся в процессе пластических деформаций в кристаллической структуре, необходимо заметить о возможности локального скопления дислокаций, которые могут вызвать местные концентрации напряжений. Последние, в сочетании с такими же локальными скоплениями дефектов, способны образовывать зародыши микротрещин, которые, как известно, являются основной причиной разрушения структуры.

Роль поверхностных и объемных дефектов в структурообразовании рассмотрим при изучении макроструктуры материалов.

научных принципов

научных принципов

Структура металлов:

Металлы составляют около двух третей всех элементов и около 24% массы планеты. Они повсюду вокруг нас в таких формах, как стальные конструкции, медная проволока, алюминиевая фольга и золотые украшения. Металлы широко используются благодаря своим свойствам: прочности, пластичности, высокой температуре плавления, тепловой и электрической проводимости и ударной вязкости.

Эти свойства также дают ключ к разгадке структуры металлов.Как и все элементы, металлы состоят из атомов. Прочность металлов предполагает, что эти атомы удерживаются вместе прочными связями. Эти связи также должны позволять атомам двигаться; иначе как металл можно было забивать в листы или вытягивать в проволоку? Разумной моделью была бы модель, в которой атомы удерживаются вместе прочными, но делокализованными связями.

Склеивание

Такие связи могут образовываться между атомами металлов, которые имеют низкую электроотрицательность и не сильно притягивают свои валентные электроны.Это позволило бы наиболее удаленным электронам быть общими для всех окружающих атомов, в результате чего положительные ионы ( катионов, ) были окружены морем электронов (иногда называемым электронным облаком).

Рисунок 1: Металлическое соединение .

Поскольку эти валентные электроны являются общими для всех атомов, они не считаются связанными с каким-либо одним атомом. Это сильно отличается от ионных или ковалентных связей, где электроны удерживаются одним или двумя атомами.Таким образом, металлическая связь получается прочной и однородной. Поскольку электроны притягиваются ко многим атомам, они обладают значительной подвижностью, что обеспечивает хорошую теплопроводность и электропроводность металлов.

Выше точки плавления металлы являются жидкостями, их атомы расположены беспорядочно и относительно свободно перемещаются. Однако при охлаждении ниже температуры плавления металлы перестраиваются, образуя упорядоченные кристаллические структуры.

Рисунок 2: Расположение атомов в жидкости и твердом теле.

Кристаллы

Чтобы сформировать самые прочные металлические связи, металлы упаковываются как можно плотнее. Возможны несколько вариантов упаковки. Вместо атомов представьте шарики, которые нужно упаковать в коробку. Шарики помещали на дно коробки аккуратными упорядоченными рядами, а затем начинали второй слой. Второй слой шариков не может быть помещен непосредственно поверх других шариков, поэтому ряды шариков этого слоя перемещаются в промежутки между шариками первого слоя.Первый слой мрамора может быть обозначен как A, а второй слой как B, давая двум слоям обозначение AB.

Слой «A» Слой «B» AB упаковка
Рисунок 3: AB упаковка сфер. Обратите внимание, что сферы слоя B помещаются в отверстия в слое A.

Укладка мрамора в третий слой требует решения. Снова ряды атомов будут гнездиться в полостях между атомами во втором слое, но существуют две возможности.Если ряды мрамора уложены так, что они находятся непосредственно над первым слоем (A), то расположение можно описать как ABA. Такое устройство насадки с чередующимися слоями будет обозначено как ABABAB. Такое расположение ABAB называется гексагональной плотной упаковкой (HCP).

Если ряды атомов упакованы в этом третьем слое так, чтобы они не лежали над атомами в слое A или B, то третий слой называется C. Эта последовательность упаковки будет обозначена ABCABC и также известна как гранецентрированный кубик (ГЦК).Оба устройства обеспечивают максимально плотную упаковку сфер, оставляя пустой лишь около четверти доступного пространства.

Наименьший повторяющийся массив атомов в кристалле называется элементарной ячейкой. Третье распространенное устройство упаковки в металлах, элементарная ячейка с объемно-центрированным кубом (ОЦК), имеет атомы в каждом из восьми углов куба плюс один атом в центре куба. Поскольку каждый из угловых атомов является углом другого куба, угловые атомы в каждой элементарной ячейке будут разделены между восемью элементарными ячейками.Элементарная ячейка ОЦК состоит всего из двух атомов, одного в центре и восьми восьмых от углов.

В схеме FCC также есть восемь атомов в углах элементарной ячейки и по одному центру на каждой из граней. Атом в грани делится с соседней ячейкой. Элементарные ячейки FCC состоят из четырех атомов, восемь восьмых по углам и шесть половин на гранях. В таблице 1 показаны стабильные кристаллические структуры при комнатной температуре для нескольких элементарных металлов.

Таблица 1: Кристаллическая структура некоторых металлов (при комнатной температуре) 900 40
Алюминий FCC
 
Никель FCC
Кадмий HCP
 
Ниобий BCC
Хром BCC
 Platinum 
FCC
Кобальт HCP
 
Серебро FCC
Медь FCC
 
Титан HCP
 Золото 
FCC Ванадий BCC
Железо BCC
 
Цинк HCP
Свинец FCC
 
Цирконий HCP
Магний HCP

Структуры элементарных ячеек определяют некоторые свойства металлов.Например, структуры FCC с большей вероятностью будут пластичными, чем BCC (объемно-центрированная кубическая) или HCP (гексагональная плотноупакованная). На рисунке 4 показаны элементарные ячейки FCC и BCC. (См. Активность кристаллической структуры)

Телоцентрированный кубический Лицоцентрированный кубический
Рисунок 4: элементарных ячеек для BCC и FCC.

Когда атомы расплавленного металла начинают собираться вместе, образуя кристаллическую решетку в точке замерзания, группы этих атомов образуют крошечные кристаллы.Эти крошечные кристаллы увеличиваются в размере за счет постепенного добавления атомов. Получающееся в результате твердое вещество представляет собой не один кристалл, а на самом деле множество более мелких кристаллов, называемых зернами. Эти зерна растут до тех пор, пока не столкнутся с соседними растущими кристаллами. Образовавшаяся между ними граница раздела называется границей зерен. Иногда зерна бывают достаточно крупными, чтобы их можно было увидеть под обычным световым микроскопом или даже невооруженным глазом. Блестки, которые видны на недавно оцинкованном металле, представляют собой зерна. (См. Модель активности металлов с помощью частиц). На рисунке 5 показан типичный вид металлической поверхности с множеством зерен или кристаллов.

Рисунок 5: зерен и границ зерен для металла.

Дефекты кристалла:

Металлические кристаллы не идеальны. Иногда встречаются пустые места, называемые вакансиями, где отсутствует атом. Другим распространенным дефектом металлов являются дислокации, которые представляют собой линии дефектного соединения. На рисунке 6 показан один тип дислокации.

Рисунок 6: Поперечное сечение краевого дислокации, которое распространяется на страницу. Обратите внимание, как плоскость в центре заканчивается внутри кристалла.

Эти и другие дефекты, а также наличие зерен и границ зерен определяют многие механические свойства металлов. Когда к металлу прикладывается напряжение, возникают дислокации, которые перемещаются, позволяя металлу деформироваться.

Механические свойства:

Когда к металлам прикладываются небольшие нагрузки (напряжения), они деформируются и возвращаются к своей исходной форме при снятии нагрузки. Сгибание стального листа является примером, когда скрепления изгибаются или растягиваются только на небольшой процент.Это называется упругой деформацией и включает временное растяжение или искривление связей между атомами.

Рисунок 7: Упругая деформация металлического стержня.

При приложении более высоких напряжений возникает остаточная (пластическая) деформация. Например, если скрепку сильно согнуть, а затем отпустить, она останется частично согнутой. Эта пластическая деформация включает разрыв связей, часто в результате движения дислокаций. См. Рис. 8. Дислокации легко перемещаются в металлах из-за делокализованной связи, но не перемещаются легко в керамике.Это во многом объясняет, почему металлы пластичны, а керамика - хрупка.

Рисунок 8: Движение дислокации в кристалле.

Если поместить под слишком большое напряжение, металл механически разрушится или сломается. Со временем это также может быть результатом множества небольших нагрузок. Самая частая причина (около 80%) выхода металла из строя - усталость. Благодаря приложению и снятию небольших напряжений (до миллионов раз) по мере использования металла в нем образуются и медленно растут небольшие трещины.Со временем металл деформируется или ломается (ломается). (См. Деятельность по обработке металлов)

Обработка:

В промышленности расплавленный металл охлаждают до твердого состояния. Затем твердому металлу механически формируют конкретный продукт. Очень важно, как выполняются эти этапы, поскольку нагрев и пластическая деформация могут сильно повлиять на механические свойства металла.

Влияние размера зерна:

Давно известно, что свойства некоторых металлов можно изменять путем термической обработки.Зерна в металлах имеют тенденцию увеличиваться в размерах при нагревании металла. Зерно может увеличиваться в размерах за счет миграции атомов из другого зерна, которые в конечном итоге могут исчезнуть. Дислокации не могут легко пересекать границы зерен, поэтому размер зерен определяет, насколько легко дислокации могут перемещаться. Как и ожидалось, металлы с мелкими зернами прочнее, но менее пластичны. На рис. 5 показан пример зеренной структуры металлов.

Закалка и закалка:

Есть много способов термической обработки металлов.Отжиг - это процесс размягчения, при котором металлы нагревают, а затем дают медленно остыть. Большинство сталей можно закалить путем нагрева и закалки (быстрого охлаждения). Этот процесс использовался довольно рано в истории обработки стали. Фактически, считалось, что биологические жидкости лучше всего гасят жидкости, и иногда использовалась моча. В некоторых древних цивилизациях раскаленные лезвия меча иногда вонзались в тела несчастных заключенных! Сегодня металлы закаливают в воде или масле.На самом деле закалка в растворах соленой воды происходит быстрее, поэтому древние не совсем ошибались.

При закалке металл становится очень твердым, но при этом хрупким. Осторожно нагревая закаленный металл и давая ему медленно остыть, вы получите металл, который останется твердым, но менее хрупким. Этот процесс известен как отпуск. (См. «Обработка металлов»). Это приводит к появлению большого количества мелких выделений Fe 3 C в стали, которые блокируют движение дислокаций, тем самым обеспечивая упрочнение.

Холодная обработка:

Поскольку пластическая деформация возникает в результате движения дислокаций, металлы можно упрочнять, предотвращая это движение. Когда металл изгибается или приобретает форму, возникают и перемещаются дислокации. По мере увеличения количества дислокаций в кристалле они будут запутываться или скрепляться и не смогут двигаться. Это укрепит металл и усложнит его деформацию. Этот процесс известен как холодная обработка. При более высоких температурах дислокации могут перестраиваться, поэтому упрочнение происходит незначительно.

Можно попробовать со скрепкой. Разогните скрепку и несколько раз согните одну из прямых частей вперед-назад. Представьте себе, что происходит на атомарном уровне. Обратите внимание, что металл сложнее согнуть в одном и том же месте. Вывихи образовались и запутались, увеличивая прочность. Скрепка со временем сломается на изгибе. Очевидно, что холодная обработка работает только до определенной степени! Слишком большая деформация приводит к запутыванию дислокаций, которые не могут двигаться, поэтому металл вместо этого ломается.

Нагревание устраняет последствия холодной обработки. При нагревании холоднодеформированных металлов происходит перекристаллизация. Новые зерна образуются и растут, чтобы потреблять холодно обработанную часть. В новых зернах меньше дислокаций, и восстанавливаются первоначальные свойства.

Сплавы:

Наличие в металле других элементов также может изменить его свойства, иногда резко. Расположение и вид связи в металлах позволяет добавлять в структуру другие элементы, образуя смеси металлов, называемые сплавами.Даже если добавленные элементы являются неметаллами, сплавы могут иметь металлические свойства.

Медные сплавы начали производить в самом начале нашей истории. Бронза, сплав меди и олова, была первым известным сплавом. Его было легко получить, просто добавив олово к расплавленной меди. Орудия и оружие из этого сплава были прочнее, чем из чистой меди. Добавление цинка к меди дает еще один сплав - латунь. Хотя латунь труднее производить, чем бронзу, она была известна и в древние времена.(См. «Золотая» Пенни Активность) Типичный состав некоторых сплавов приведен в Таблице 2.

Таблица 2: Состав нескольких сплавов.
Сплав Состав
Латунь Медь, цинк
Бронза Медь, цинк, олово
Олово олово, медь
Припой Свинец, олово
Alnico Алюминий, никель, кобальт, железо
Чугун Железо, углерод, марганец, кремний
Сталь Железо, углерод (плюс небольшое количество легирующих элементов)
Нержавеющая сталь Железо, хром, никель

Сплавы представляют собой смеси, и их процентный состав может варьироваться.Это полезно, потому что свойствами сплавов можно управлять, варьируя состав. Например, электрикам нужен припой с другими свойствами, чем у сантехников. Электрический припой очень быстро затвердевает, образуя почти мгновенное соединение. Это будет непрактично для сантехников, которым нужно время, чтобы установить соединение. Электрический припой содержит около 60% олова, тогда как припой для сантехников - около 30%.

Изначально олово содержало свинец, а поскольку олово использовалось для изготовления тарелок и кубков, вероятно, оно было источником отравления свинцом.Изготовленный сегодня олово не содержит свинца. Расширение знаний о свойствах металлов также приводит к созданию новых сплавов. Некоторые латуни образуют сплавы с памятью формы, которые можно сгибать и возвращать к своей исходной форме при осторожном нагревании. Цинковые сплавы, используемые в качестве покрытия на стали, замедляют коррозию (оцинкованная сталь). Сплавы кадмия находят широкое применение в солнечных элементах. Способность мельхиора противостоять образованию отложений делает его полезным в садках в рыбоводстве.

Чугун и сталь:

Углеродистые стали различаются по процентному содержанию углерода.Количество углерода влияет на свойства стали и ее пригодность для конкретного использования. Стали редко содержат более 1% углерода. Конструкционная сталь содержит около 0,1-0,2% углерода по весу; это делает его немного более пластичным и менее склонным к разрушению во время землетрясений. Сталь, используемая для изготовления инструментов, содержит около 0,5-1% углерода, что делает ее более твердой и износостойкой. Чугун содержит от 2,5 до 4% углерода и находит применение в недорогих приложениях, где его хрупкость не является проблемой. Удивительно, но чистое железо чрезвычайно мягкое и используется редко.Увеличение количества углерода приводит к увеличению твердости металла, как показано на следующем графике. В медленно охлаждаемых сталях углерод увеличивает количество твердого Fe 3 C; в закаленных сталях он также увеличивает твердость и прочность материала.

Рисунок 9: Зависимость твердости стали от% углерода. Рисунок 10: BCC железа, показывающее расположение межузельных атомов углерода.

Заколки для бобби и скрепки обрабатываются практически одинаково, но содержат разное количество углерода.Заколки и скрепки изготовлены из холоднокатанной стальной проволоки. Скрепка, содержащая мало углерода, в основном состоит из чистого Fe с некоторым количеством частиц Fe 3 C. Булавка для шкворня имеет больше углерода и, следовательно, содержит большее количество Fe 3 C, что делает ее намного более твердой и прочной.

Свойства стали можно адаптировать для специальных целей путем добавления в сплав других металлов. Титан, ванадий, молибден и марганец входят в число металлов, добавляемых к этим специальным сталям.Нержавеющая сталь содержит минимум 12% хрома, который останавливает дальнейшее окисление, образуя защитный оксид на поверхности.

Коррозия:

Коррозия металлов может быть серьезной проблемой, особенно при длительном применении в конструкциях, таких как автомобили, мосты и корабли. В большинстве случаев коррозия носит электрохимический (гальванический) характер. Для возникновения коррозии должны присутствовать анод (более легко окисляемая область) и катод (менее легко окисляемая область). Это могут быть разные типы металлов или просто разные участки одного и того же металла.Также должен присутствовать какой-то электролит, который может обеспечивать перенос электронов. Коррозия включает высвобождение электронов на аноде из-за высокого окислительного потенциала атомов на аноде. Когда электроны высвобождаются, образуются катионы металлов, и металл распадается. Одновременно катод, который имеет больший восстановительный потенциал, принимает электроны, либо образуя отрицательные ионы, либо нейтрализуя положительные ионы.

В случае ряда активности или электродвижущей силы металл, такой как цинк, вступает в реакцию с водородом и служит как анодом, так и катодом.(См. Activity Series Activity) Уравнение этой реакции:

2 Zn + 2 H + -> 2 Zn 2+ + H 2

Пузырьки водорода на катоде при разрушении анода. Неровности поверхности, наличие примесей, ориентация зерен, локализованные напряжения и вариации окружающей среды - вот некоторые из факторов, определяющих, почему один кусок металла может служить обоими электродами. Например, головка и острие гвоздя обработаны методом холодной обработки и могут служить анодом, а корпус - катодом.(См. Коррозия от активности железа)

Хотя окисление на аноде и восстановление на катоде являются одновременными процессами, коррозия обычно происходит на аноде. Катод почти никогда не разрушается. В 1824 году Дэви разработал метод защиты корпусов кораблей от коррозии с помощью цинка, который можно периодически заменять. Цинк более активен, чем сталь в корпусе, и будет служить анодом и подвергаться коррозии; им приносят в жертву защиту стальной конструкции. Сталь, которая была бы и анодом, и катодом, обычно служит катодом.Это называется катодной защитой. Трубопроводы также защищены более активным металлическим магнием. Иногда электрические токи поддерживаются в коротких отрезках трубопроводов с такой же металлической проволокой, которая используется в качестве жертвенного анода.

Коррозия - серьезная проблема, которую необходимо решить для эффективного использования металлов. Железо соединяется с кислородом воздуха, образуя оксид железа (ржавчину), что в конечном итоге разрушает полезность металла. (См. Дополнительно: действие химического обогрева рук). К счастью, некоторые металлы, такие как алюминий и хром, образуют защитное оксидное покрытие, предотвращающее дальнейшее окисление (коррозию).Точно так же медь соединяется с серой и кислородом, образуя знакомую зеленую патину.

Понимание химического состава металлов приводит к разработке методов уменьшения и предотвращения коррозии. Атомы хрома примерно того же размера, что и атомы железа, и могут замещать их в кристаллах железа. Хром образует оксидный слой, который позволяет нержавеющей стали противостоять коррозии. Металлы можно окрашивать или покрывать другими металлами; оцинкованная (оцинкованная) сталь является примером. Когда эти два металла используются вместе, более активный цинк корродирует, жертвуя собой ради сохранения стали.

Металлические руды:

Золото, серебро и медь были первыми металлами, которые использовались, поскольку они находятся в свободном или элементарном состоянии. Большинство металлов, встречающихся в природе, сочетаются с другими элементами, такими как кислород и сера. Энергия необходима для извлечения металлов из этих соединений или руд. Исторически сложилось так, что легкость, с которой данный металл может быть извлечена из руды, наряду с доступностью, определялась при его использовании, отсюда и раннее использование меди, олова и железа.Формулы для некоторых руд приведены ниже:

Habgar
Гематит Fe 2 O 3 Рутил TiO 2
Магнетит Fe 3 O 4 Циркон ZrSiO ZrSiO Пирит FeS 2 Касситерит SnO 2
Халькоцит Cu 2 S Боксит Al 2 O inn 3
Галена PbS

Эти руды представляют собой ионные соединения, в которых металлы существуют в виде положительных ионов.Например, степень окисления железа в гематите +3; степень окисления меди в халькоците +1. Извлечение металлов из их руд представляет собой окислительно-восстановительную (окислительно-восстановительную) реакцию. В элементарном состоянии металлы состоят из атомов, а не ионов. Поскольку у атомов нет общего заряда, ионы металлов в реакции приобретают электроны; они уменьшены.

Общая реакция восстановления меди из халькоцита:

Cu 2 S + O 2 + Энергия -> 2 Cu + SO 2

Это только общая реакция.Весь процесс не так прост. Восстановление металлов из их руд обычно требует ряда химических и механических процессов. Обычно они энергетически дороги, потребляют большое количество тепла и / или электроэнергии. Например, около пяти процентов электроэнергии, потребляемой в Соединенных Штатах, используется для производства алюминия. Изготовление алюминиевой консервной банки, начиная с руды, стоит примерно в сто раз дороже, чем плавление и образование переработанного алюминия. Извлечение металлов из руд может также приводить к образованию загрязняющих веществ, таких как диоксид серы, указанный выше.По возможности, переработка и переработка металлов имеет смысл.

Относительная сложность извлечения металлов из руд указывает на то, что это их предпочтительное состояние. После удаления из руд и в элементарном состоянии большинство металлов проявляют значительную тенденцию реагировать с кислородом и серой и возвращаться в свое естественное состояние; они разъедают! При коррозии металл окисляется. Он теряет электроны, становясь положительным ионом. (См. Раздел "Коррозия металлов")

Сводка по металлам

Металлы обладают полезными свойствами, включая прочность, пластичность, высокие температуры плавления, термическую и электрическую проводимость и ударную вязкость.Они широко используются в конструкциях и электротехнике. Понимание структуры металлов может помочь нам понять их свойства.

Атомы металлов связаны друг с другом прочными делокализованными связями. Эти связи образуются облаком валентных электронов, которые разделяются между положительными ионами (катионами) металлов в кристаллической решетке. В таком расположении валентные электроны обладают значительной подвижностью и могут легко проводить тепло и электричество. В кристаллической решетке атомы металлов плотно упакованы вместе, чтобы максимизировать прочность связей.Настоящий кусок металла состоит из множества крошечных кристаллов, называемых зернами, которые касаются границ зерен.

Из-за делокализованной природы связей атомы металла могут скользить мимо друг друга, когда металл деформируется, вместо того, чтобы разрушаться, как хрупкий материал. Это движение атомов осуществляется за счет образования и движения дислокаций в решетке. Технологии обработки, которые изменяют связь между атомами или влияют на количество или подвижность дислокаций, могут иметь большое влияние на механические свойства металла.

Упругая деформация металла - это небольшое изменение формы при низком напряжении, которое можно восстановить после снятия напряжения. Этот тип деформации включает растяжение металлических связей, но атомы не скользят друг мимо друга. Пластическая деформация возникает, когда напряжение достаточно для постоянной деформации металла. Этот тип деформации включает разрыв связей, обычно за счет движения дислокаций.

Пластическая деформация приводит к образованию большего количества дислокаций в металлической решетке.Это может привести к снижению подвижности этих дислокаций из-за их тенденции запутываться или скрепляться. Пластическая деформация при температурах, достаточно низких, чтобы атомы не могли перегруппироваться (холодная обработка), может упрочнять металл в результате этого эффекта. Одним из побочных эффектов является то, что металл становится более хрупким. При использовании металла трещины имеют тенденцию образовываться и расти, что в конечном итоге приводит к его разрушению или разрушению.

Дислокации не могут легко пересекать границы зерен. Если металл нагреть, зерна могут стать больше, а материал станет мягче.Нагревание металла и быстрое охлаждение (закалка) с последующим легким нагревом (отпуском) приводит к более твердому материалу из-за образования множества мелких выделений Fe 3 C, которые блокируют дислокации.

Смешивание металлов с другими металлами или неметаллами может привести к получению сплавов с желаемыми свойствами. Сталь, изготовленная из железа и углерода, может существенно различаться по твердости в зависимости от количества добавленного углерода и способа ее обработки. Некоторые сплавы обладают более высокой устойчивостью к коррозии.

Коррозия - основная проблема большинства металлов. Это окислительно-восстановительная реакция, в которой атомы металла образуют ионы, вызывающие ослабление металла. Один из методов, который был разработан для борьбы с коррозией в конструкциях, включает прикрепление расходуемого анода, сделанного из металла с более высоким окислительным потенциалом. В этом случае анод подвергается коррозии, оставляя катод, конструктивную часть, неповрежденным. Образование защитного покрытия на внешней стороне металла также может противостоять коррозии.Стали, содержащие металлический хром, образуют защитное покрытие из оксида хрома. Алюминий также устойчив к коррозии благодаря образованию прочного оксидного покрытия. Медь образует знакомую зеленую патину, реагируя с серой и кислородом в воздухе.

В природе можно найти лишь несколько чистых металлов. Большинство металлов существует в виде руд, соединений металла с кислородом или серой. Для отделения чистого металла от руды часто требуется большое количество энергии в виде тепла и / или электричества. Из-за такого большого расхода энергии имеет смысл по возможности утилизировать металлы.

Вопросы для обсуждения

1. Как руды добываются из земли?

2. Назовите 4 сплава и металлы, из которых они сделаны.

3. Какое влияние оказывает «холодная обработка» на металлы?

4. Какой процесс делает металлы твердыми, но хрупкими?

5. Какой процесс делает металлы мягче и удобнее в обработке?

6. Назовите три метода уменьшения коррозии.

7. Дайте 2 ценных результата переработки.

Проблема

Предположим, что радиус одного атома железа равен 1,24 Ангстрема (1 Ангстрем = 1 x 10 -8 см). Какой будет плотность объемно центрированного кубического (ОЦК) железа в граммах на кубический сантиметр? Подсказка: найдите массу и объем одной элементарной ячейки. Не забудьте считать только долю каждого атома в ячейке.

Добавочный номер:

Максимальная растворимость углерода в железе ОЦК составляет один атом на каждые 5000 атомов железа.Какой будет плотность стали при максимальном растворении углерода?


Решение

= m / V = ​​# атомов x (масса / атом) / объем ячейки

В ОЦК-железе на элементарную ячейку приходится два атома железа. (8 х 1/8 + 1)

Один атом железа имеет массу 55,85 а.е.м. или 9,27 x 10 -23 граммов.

Общая масса одной элементарной ячейки составляет 1,85 x 10 -22 граммов.

Пусть (r) будет радиус атома железа.Атомы в углах контактируют с атомом в середине, в результате чего диагональ коробки равна (4r).

Если мы назовем одну сторону коробки (L), диагональ грани куба будет равна (квадратный корень из 2) умноженным на (L).

Одна сторона, диагональ грани куба и диагональ прямоугольника образуют прямоугольный треугольник. Используя теорему Пифагора, (L) 2 + (квадратный корень 2 x (L)) 2 = (4r) 2 .

Решая для L и подставляя для (r), мы находим, что L = 2.86 ангстрем или 2,86 x 10 -8 см.

Объем куба (элементарной ячейки) равен (л) 3 = 2,34 x 10 -23 см 3 . Разделив массу на объем, получим:

Плотность = 7,91 г / см 3 .

Следующая тема: Список литературы
Металлы Содержание МАСТ Домашняя страница
.

Изменение свойств - механизмы упрочнения / упрочнения

Механизмы упрочнения / упрочнения

Как обсуждалось в предыдущем разделе, способность кристаллического материала пластически деформироваться в значительной степени зависит от способности дислокации перемещаться внутри материала. Следовательно, препятствие движению дислокаций приведет к упрочнению материала. Существует несколько способов препятствовать перемещению вывиха, в том числе:

  • контроль размера зерна (снижение сплошности атомных плоскостей)
  • деформационное упрочнение (образование и запутывание дислокаций)
  • легирование (введение точечных дефектов и большего количества зерен в точечную дислокацию)

Контроль размера зерен
Размер зерен в материале также влияет на прочность материала.Граница между зернами действует как барьер для движения дислокаций и возникающего в результате скольжения, поскольку соседние зерна имеют разную ориентацию. Поскольку выстраивание атомов различное и плоскости скольжения между зернами прерывистые. Чем меньше зерна, тем короче расстояние, на которое атомы могут перемещаться по определенной плоскости скольжения. Следовательно, более мелкие зерна улучшают прочность материала. Размер и количество зерен в материале контролируется скоростью затвердевания из жидкой фазы.

Деформационное упрочнение
Деформационное упрочнение (также называемое наклепом или холодной деформацией) - это процесс повышения твердости и прочности металла за счет пластической деформации. Когда металл пластически деформируется, дислокации перемещаются и образуются дополнительные дислокации. Чем больше дислокаций в материале, тем больше они будут взаимодействовать и запутываться. Это приведет к снижению подвижности дислокаций и упрочнению материала. Этот вид упрочнения обычно называют холодной деформацией.Это называется холодной обработкой, потому что пластическая деформация должна происходить при достаточно низкой температуре, чтобы атомы не могли перегруппироваться. Когда металл обрабатывается при более высоких температурах (горячая обработка), дислокации могут перестраиваться, и упрочнение незначительное.

Деформационное упрочнение легко продемонстрировать с помощью куска проволоки или скрепки. Прямой участок согните несколько раз вперед-назад. Обратите внимание, что металл сложнее согнуть в одном и том же месте. В зоне деформационного упрочнения образовались дислокации, которые запутались, увеличивая прочность материала.Продолжение изгиба в конечном итоге приведет к разрыву проволоки в месте изгиба из-за усталостного растрескивания. (После большого количества циклов изгиба дислокации образуют структуры, называемые стойкими полосами скольжения (PSB). PSB - это в основном крошечные области, где дислокации накапливаются и перемещают поверхность материала, оставляя ступеньки на поверхности, которые действуют как концентраторы напряжения или инициируют трещины. баллов.)

Однако следует понимать, что повышение прочности путем холодной обработки также приводит к снижению пластичности.График справа показывает предел текучести и относительное удлинение в зависимости от процента холодной обработки для нескольких примеров материалов. Обратите внимание, что для каждого материала небольшое количество холодной обработки приводит к значительному снижению пластичности.

Влияние повышенной температуры на деформационно упрочненные материалы
Когда деформационно упрочненные материалы подвергаются воздействию повышенных температур, упрочнение, возникшее в результате пластической деформации, может быть потеряно.Это может быть плохо, если усиление необходимо для поддержки груза. Однако упрочнение из-за деформационного упрочнения не всегда желательно, особенно если материал сильно деформируется, так как пластичность будет снижена.

Термическая обработка может использоваться для устранения эффектов деформационного упрочнения. Во время термообработки могут произойти три вещи:

  1. Восстановление
  2. Рекристаллизация
  3. Рост зерна

Восстановление
Когда материал, отвержденный пятнами, выдерживают при повышенной температуре, происходит усиление диффузии атомов, что снижает часть энергии внутренней деформации.Помните, что атомы не фиксированы в своем положении, но могут перемещаться, когда у них достаточно энергии, чтобы разорвать свои связи. Диффузия быстро увеличивается с ростом температуры, и это позволяет атомам в сильно напряженных областях перемещаться в ненапряженные положения. Другими словами, атомы свободнее перемещаться и возвращаться в нормальное положение в структуре решетки. Это называется фазой восстановления и приводит к корректировке деформации в микроскопическом масштабе. Внутренние остаточные напряжения снижаются за счет уменьшения плотности дислокаций и перемещения дислокации в позиции с более низкой энергией.Спутки дислокаций конденсируются в резкие двумерные границы, и плотность дислокаций внутри этих областей уменьшается. Эти области называются субзернами. Заметного снижения прочности и твердости материала не происходит, но коррозионная стойкость часто повышается.

Рекристаллизация
При более высокой температуре новые, свободные от деформации зерна зарождаются и растут внутри старых искаженных зерен и на границах зерен. Эти новые зерна растут, чтобы заменить деформированные зерна, образовавшиеся в результате деформационного упрочнения.При рекристаллизации механические свойства возвращаются к исходному, более слабому и более пластичному состоянию. Рекристаллизация зависит от температуры, количества времени при этой температуре, а также от степени деформационного упрочнения материала. Чем больше деформационное упрочнение, тем ниже будет температура, при которой происходит рекристаллизация. Кроме того, минимальное количество (обычно 2-20%) холодной обработки необходимо для любого количества рекристаллизации. Размер новых зерен также частично зависит от степени деформационного упрочнения.Чем больше затвердевание пятен, тем больше зародышей у новых зерен, и в результате размер зерна будет меньше (по крайней мере, на начальном этапе).

Рост зерен
Если образец оставить при высокой температуре сверх времени, необходимого для полной рекристаллизации, зерна начинают увеличиваться в размерах. Это происходит потому, что диффузия происходит через границы зерен, и более крупные зерна имеют меньшую площадь поверхности границы зерен на единицу объема. Следовательно, более крупные зерна теряют меньше атомов и растут за счет более мелких.Крупные зерна уменьшают прочность и ударную вязкость материала.

.

Материаловедение: Учебники: дислокации

Вывихи 3

Как перемещаются вывихи?

Вывих, скольжение или движение

Дислокации легко перемещаются (скользят) при низком напряжении, потому что:

  1. Смещения атомов небольшие
  2. Смещения атомов локализованы вблизи линии дислокации (т.е. только небольшая часть атомов смещается в любой момент времени.)

Поскольку скольжение дислокаций может происходить при низких напряжениях, материалы могут подвергаться деформации при напряжениях, значительно меньших их теоретической прочности.

В металлах легко скользить дислокации, поскольку металлическое соединение неспецифично. Однако в керамике это сложно из-за специфики ковалентной или ионная связь. С ковалентной связью сила и направленность связей препятствуют перемещению дислокаций.С ионной связью движение дислокации нарушает баланс заряда вокруг окружающих атомов.

.

PPT - Dislocation Interactions PowerPoint Presentation, скачать бесплатно

  • Dislocation Interactions Адаптировано из рис. 7.5, Callister 7e.

  • Поля напряжений решетки при дислокациях Адаптировано из рис. 7.4, Каллистер 7e.

  • Модель Эшби (слева) Разобрать поликристалл Разрешить каждому деформироваться в соответствии с законом Шмида - создать статистически сохраненные дислокации Создает перекрытия и пустоты «Правильные» перекрытия с геометрически необходимыми дислокациями до тех пор, пока зерна снова не соберутся вместе.Dieter, Mechanical Metallurgy, 3rd Edition, McGraw-Hill, 1986.

  • Движение скольжения в поликристаллах s 300 мм • • Сильнее - деформации стержней границ зерен • • Плоскости и направления скольжения • (l, f) изменяются с единицы • кристалл другому. • • tR будет варьироваться от одного • кристалла к другому. • • Кристалл с • наибольшим tR дает первый выход. • Первые кристаллы увеличивают нагрузку на окружающие кристаллы • • Другие (менее благоприятные • ориентированные) кристаллы • выходят позже.Взято из рис. 7.10, Callister 7e. (Рис. 7.10 любезно предоставлен К. Брэди, Национальное бюро стандартов [ныне Национальный институт стандартов и технологий, Гейтерсбург, Мэриленд].)

  • Механизмы усиления • Что такое СИЛА? • Способность материала противостоять деформации под действием приложенного напряжения • Как кристаллы металла деформируются - они сдвигаются движением дислокации • Следовательно: все, что предотвращает или замедляет движение дислокации - увеличивает прочность

  • Существуют 5 механизмов усиления • Уменьшение зерна Размер • Укрепление твердого раствора замещения • Укрепление твердого раствора внедрения • Холодная обработка • Усиление осаждения Примечание: Все они обычно работают только при температурах ниже 0.5Tm (K)

  • Границы зерен Граница зерен под большим углом представляет собой область случайного несоответствия между соседними кристаллами • • В поликристаллическом материале необходимо поддерживать непрерывность • Значительные различия в степени деформации (плотности дислокаций) между зернами и поперек отдельного зерна • Обычно вблизи границ зерен работает больше систем скольжения из-за повышенной деформации • Границы зерен являются источниками дислокаций • Мелкозернистые материалы имеют большее деформационное упрочнение Уравнение Холла-Петча: G.Dieter, Mechanical Metallurgy, 3rd Edition, McGraw-Hill, 1986.

  • Укрепление твердого раствора ACDB • • Атомы примесей искажают решетку, создавая локальные поля напряжений • Дислокации также содержат локальные поля напряжений • Взаимодействие этих полей напряжений препятствует перемещению движение

  • Добавки для легирования растворенных веществ • Типичный эффект добавок растворенных веществ заключается в повышении предела текучести и уровня кривой напряжения-деформации в целом.• Влияют на всю кривую напряжение-деформация - атомы растворенного вещества влияют на сопротивление трения движению дислокаций, а не на статическое закрепление дислокаций. • Атомы растворенных веществ делятся на 2 широкие категории: • Атомы, которые вызывают несферические искажения - межузельные частицы - усиление • эффект (на единицу концентрации) составляет 3G (модуль сдвига) • Атомы, которые вызывают сферическое искажение - замещающие атомы - G / 10 G. Дитер , Mechanical Metallurgy, 3rd Edition, McGraw-Hill, 1986.

  • Усиление межузельного слоя • Высокоподвижные межузельные примеси имеют тенденцию концентрироваться на дислокациях (атмосферы Коттрелла) • Снижают подвижность дислокаций  повышают прочность Примечание: отвечает за прерывистую текучесть

  • 180 400120 Предел текучести (МПа) Предел прочности (МПа) 300 60200 0 10 20 30 40 50 0 10 20 30 40 50 вес.% Ni, (Концентрация C) мас.% Ni, (Концентрация C) Пример: Упрочнение твердого раствора в меди • Предел прочности на разрыв и предел текучести увеличиваются с процентным содержанием Ni. Адаптировано из рис. 7.16 (a) и (b), Callister 7e. • Эмпирическая связь: • Легирование увеличивает sy и TS.

  • force - Ковка - Матрица для катания валков A d A A A o blank o d По рисунку 11.8, Callister 7e. усилие валка - вытяжка - выдавливание A o контейнер матрицы A d растягивающее усилие держателя матрицы A o штамп A выдавливание заготовки d усилие экструзии штампа контейнера холодная обработка (% CW) • Деформация при комнатной температуре.• Обычные операции формовки изменяют площадь поперечного сечения:

  • общая длина дислокации единиц объема Пластическая деформация • Пластическая деформация приводит к увеличению числа дислокаций Плотность дислокаций = отожженный металл (недеформированный): 106 - 108 дислокаций на см2 Сильно пластически деформированный металл: 1012 дислокаций на см2 Большая часть энергии, затрачиваемой во время холодной обработки, преобразуется в тепло. Примерно 10% сохраняется в решетке в виде увеличенной внутренней энергии (.01 - 1 кал / г) G. Dieter, Mechanical Metallurgy, 3rd Edition, McGraw-Hill, 1986.

  • Дислокации во время холодной обработки 0,9 мм • Сплав Ti после холодной обработки: • • По мере увеличения концентрации дислокаций • Вывихи взаимодействуют и мешают друг другу. (Спагетти) • • Движение вывиха затрудняется.

  • .

    Смотрите также