Виды несовершенства кристаллического строения реальных металлов

Опишите виды несовершенства кристаллического строения реальных металлов.

Технические металлы состоят из большого количества кристаллов (зерен), т.е. являются поликристаллическими. Кристаллы в поликристаллическом металле не имеют правильной формы и идеально правильного расположения атомов. В них встречаются различного рода несовершенства кристаллического строения, которые оказывают большое влияние на свойства. Увеличение количества дефектов кристаллического строения способствует повышению прочности реальных кристаллов.

Различают следующие несовершенства кристаллического строения – точечные, линейные и  поверхностные.

Точечные несовершенства малы во всех трех измерениях. К ним относят вакансии, междоузельные (дислоцированные) атомы (рисунок 1).

Рисунок 1 – Схема точечных несовершенств кристалла:

а – междоузельный (дислоцированный) атом, б – вакансия  

Образование точечных несовершенств связано с диффузионным перемещением атомов под действием тепловых колебаний.

Процесс диффузии в кристаллическом теле возрастает с увеличением температуры. Под влиянием тепловых колебаний отдельные атомы с повышенной кинетической энергией покидают свои места в узлах решетки и выходят в междоузлия решетки или на поверхность металла. Атом, вышедший из равновесного положения в междоузлие, называют дислоцированным или междоузельным, а образовавшееся в узле решетки свободное место – «дыркой» или вакансией. С повышением температуры металла число вакансий растет.

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

Линейные несовершенства имеют малые размеры в двух измерениях и большую протяженность в третьем измерении. Эти несовершенства называются дислокациями. Различают краевые, винтовые и смешанные дислокации.

Рисунок 2 – Схема краевой дислокации в кристаллической решетке  

На  рисунке 2 показана краевая дислокация, представляющая собой местное искажение кристаллической решетки, причиной которой явилась лишняя полуплоскость атомов, так называемая экстраплоскость. Для краевой дислокации характерно, что направление движения перпендикулярно линии дислокации.

Дислокации  образуются в процессе кристаллизации, но главным образом при деформации металла. Дислокации в металле распределены неравномерно. Плотность дислокаций на границах зерен выше, чем в самих зернах.

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 дислокации в значительной мере определяет пластичность и прочность материала (рисунок 3).

Рисунок 3 – Влияние плотности дислокаций на прочность   

Поверхностные, или плоские, несовершенства малы только в одном измерении и велики в двух в двух других измерениях. К ним относятся границы зерен (кристаллитов) и блоков мозаики (субзерен).

Зерна металла разориентированы относительно друг от друга на величину от нескольких долей градуса (малоугловые границы) до нескольких градусов или нескольких десятков градусов (высокоугловые границы).

Граница между отдельными зернами представляет собой тонкую переходную зону (5-10 атомных  диаметров) с максимальным нарушением порядка в расположении атомов (рисунок 4).

Рисунок 4 – Модель размещения атомов в объеме и на границе зерна  

Это нарушение усугубляется концентрацией  на этих участках различного рода посторонних примесей. Зерна металлов не являются однородными и состоят из мозаики однородных блоков (субзерен) размерами 10^-5-10^-3 см. Блоки повернуты по отношению друг к другу на угол от нескольких секунд до нескольких минут. В пределах каждого блока решетка почти идеальна, если не принимать во внимание точечные дефекты. Атомы, расположенные на границах зерен, обладают повышенной энергией вследствие нескомпенсированности сил межатомного взаимодействия. Это обстоятельство приводит к тому, что многие процессы развиваются или осуществляются на границах зерен и субзерен.

С увеличением угла разориентации субзерен и уменьшением их величины плотность дислокаций в металле повышается, соответствующим образом изменяются и свойства (рисунок 3).

_____________________________________________________________________________

Как изменяются эксплуатационные характеристики деталей  после дробеструйной  обработки и почему?

Поверхностное упрочение при дробеструйном  наклепе достигается за счет кинетической энергии потока чугунной или стальной дроби. Поток дроби на обрабатываемую поверхность направляется или скоростным потоком воздуха, или роторным дробеметом.

Поверхностное деформирование повышает плотность  дислокаций в упрочненном слое, измельчает субструктуру (величину блоков), а при обработке закаленных поверхностей уменьшает количество остаточного аустенита.

При поверхностной пластической деформации (ППД) происходит увеличение поверхности, которому препятствуют нижележащие  недеформированные слои. Как следствие  этого, на поверхности образуются остаточные сжимающие напряжения, а в середине растягивающие.

Упрочнение  поверхности и образование сжимающих  остаточных напряжений резко повышает предел выносливости. Поверхностный  наклеп создает реальные возможности  применения высокопрочных сталей (после  закалки и низкого отпуска) для  деталей с конструктивными и  технологическими концентраторами  напряжений при действии значительных циклических нагрузок. Важно, что  ППД повышает сопротивление коррозионной и контактной усталости.

ППД повышает твердость поверхности, в  результате чего возрастает сопротивление  износу, одновременно возрастает сопротивление  схватыванию и фреттинг-коррозии.

____________________________________________________________________________

Опишите структуру  и свойства стали 45 и У12 после  закалки от температуры 760 и 840°С (объясните с применением диаграммы состояния железо-цементит). Выберите оптимальный режим нагрева под закалку каждой стали. 

Исходная структура  среднеуглеродистой конструкционной  стали 45 до нагрева под закалку  – перлит + феррит. 

Критические точки  для стали 45: АС1=725ºС, АС3=770ºС. 

При нагреве до 700ºС в стали 45 не происходят аллотропические превращения и мы имеем ту же структуру – перлит + феррит, быстро охлаждая (т.к. закалка), имеем также после охлаждения перлит + феррит с теми же механическими свойствами (примерно), что и в исходном состоянии до нагрева под закалку. Например, после нормализации: σТ=36 кгс/мм2, σВ=61 кгс/мм2, δ=16%, ψ=40%, НВ≈180. 

Оптимальный режим  нагрева под закалку для доэвтектоидных сталей (%С<0,8%) составляет АС3+(30÷50º), т.е. для Ст45 – 800–820ºС. При этом после закалки имеем мелкое зерно, обеспечивающее наилучшие механические свойства стали 45. 

Нагрев и выдержка стали 45 при температуре 840ºС перед закалкой приводит к росту зерна и ухудшению механических свойств стали после термической обработки. Крупнозернистая структура вызывает повышенную хрупкость стали. 

Исходная структура  высокоуглеродистой инструментальной стали У12 до нагрева под закалку  – перлит + карбиды. 

Критические точки  для стали У12: АС1=730ºС, АС3=820ºС. 

При нагреве до 700ºС в стали У12 не происходят аллотропические превращения и мы имеем ту же структуру – перлит + карбиды, быстро охлаждая (т.к. закалка), имеем также после охлаждения перлит + карбиды с теми же механическими свойствами (примерно), что и в исходном состоянии до нагрева под закалку. 

Оптимальный режим  нагрева под закалку для заэвтектоидных сталей (%С>0,8%) составляет АС1+(30÷50º), т.е. для У12 – 760–780ºС. При этом после закалки имеем мелкое зерно, обеспечивающее наилучшие механические свойства стали У12. 

Нагрев и выдержка стали У12 при температуре 840ºС перед закалкой приводит к росту зерна и ухудшению механических свойств стали после термической обработки. Крупнозернистая структура вызывает повышенную хрупкость стали, иногда приводит к трещинам.

________________________________________________________----------------------------------------

Вычертите диаграмму  изотермического превращения аустенита  для стали У8. Нанесите на нее кривую режима изотермической обработки, обеспечивающей получение твердости 200 HB. Укажите, как этот режим называется и какая структура получается в этом случае. 

Изотермической обработкой, достаточной для получения твердости  НВ = 200 для стали У8, является изотермический отжиг (рисунок 3). Структура после  отжига – крупнопластинчатый перлит. При изотермическом отжиге сталь  У8 нагревают до температуры на 30-50°С выше точки Ас1 (Ас1 = 730°С) и после выдержки охлаждают до температуры 650-680°С. Структура после отжига – крупнопластинчатый перлит. 

Перлитное превращение  переохлажденного аустенита протекает  при температурах Ar1 = 500ºC. В процессе превращения происходит полиморфное -превращение и диффузионное перераспределение углерода в аустените, что приводит к образованию ферритно-цементитной структуры: 

АФ + Fe3C = Перлит. 

  
 
 

Рисунок 3 – Диаграмма  изотермического превращения 

аустенита стали  У8 

  

Аустенит, практически  однородный по концентрации углерода, распадается с образованием феррита  и цементита, содержащего 6,67%С, т.е. состоит из двух фаз, имеющих различную концентрацию углерода. Ведущей, в первую очередь возникающей фазой при этом является карбид (цементит). Его зародыши, как правило, образуются на границах зерен аустенита. 

В результате роста  частиц этого карбида прилегающий  к нему объем аустенита обедняется углеродом, снижает свою устойчивость и испытывает полиморфное -превращение. При этом кристаллики феррита зарождаются на границе с цементитом, который облегчает этот процесс. 

Последующий рост ферритных  пластинок ведет к обогащению окружающего аустенита углеродом, что затрудняет дальнейшее развитие -превращения. В обогащенном таким образом углеродом аустените зарождаются новые и растут ранее возникшие пластинки цементита. Вследствие этих процессов образования и роста частиц карбидов вновь создаются условия для возникновения новых и роста имеющихся кристалликов (пластинок) феррита. В результате происходит колониальный (совместный) рост кристалликов феррита и цементита, образующих перлитную колонию.

______________________________________________________________________________________