Механические и технологические свойства конструкционных материалов. Детали машин чрезвычайно разно­образны и для их изготовления необхо­димы материалы с са­мыми различными свойствами

Детали машин чрезвычайно разно­образны и для их изготовления необхо­димы материалы с са­мыми различными свойствами. Требования к материалам особенно возросли в эпоху научно-техни­ческого прогресса. В некоторых случаях для изготовления изделий необходимы ма­териалы с повышенной коррозионной стойкостью, теплопроводностью и элек­тропроводностью, особыми магнитными свойствами, тугоплавкостью, сверх­проводимостью и т. п. Для правильного использования имеющихся материалов, также как и для обработки деталей из них, важно иметь представление об их структуре, так как это даст возможность учитывать влияние режимов эксплуатации или обработки на те или иные характери­стики изделия.

Металлические и большинство не­металлических твердых материалов имеют кристаллическое строение. Характер­ными признаками кристаллических тел являются способность сохранять свою форму и оставаться твердыми при нагреве вплоть до критической температуры, при которой они дискретно переходят в жидкое состояние. Переход кристаллических тел из твердого в жидкое состояние и на­оборот совершается изотермически, т. е. при определенной температуре, называ­емой температурой плавления.

Элементарные частицы, из которых состоят кристаллические тела (атомы, ионы, молекулы) расположены в простран­стве упорядоченно и образуют кристалли­ческие решетки. В кристаллической ре­шетке можно выделить элементарный объем, многократно повторяющийся и состоящий из минимального количества элементарных частиц, — элементарную ячейку; совокупность этих ячеек характеризует особенности строения кристаллического тела данного типа. Элементарные частицы в кристаллической решетке находятся во взаимодей­ствии, определяемым их электронным строением. От характера этого взаимодействия зависят электрические, магнитные, тепловые и оптические свойства материала, его температуры плавления и испарения, модуль упругости и другие свойства.

Металлы — кристаллические тела, атомы которых располага­ются в геометрически правильном порядке, образуя кристаллы, в отличие от аморфных тел (например, смола), атомы которых находятся в беспорядочном состоянии.

Располагаясь в металлах в строгом порядке, атомы в плоскости образуют атомную сетку, а в пространстве — атомно-кристаллическую решетку. Линии на этих схемах являются услов­ными; в действительности никаких линий не существует, а атомы колеблются возле точек равновесия, т. е. узлов решетки с большой частотой. Элементарные ячейки таких кристаллических решеток приве­дены на рис. 1. Все кристаллические тела образуют семь разновидностей кристаллических решеток, из которых для металлов наиболее характерны объемно-центрированная кубическая (ОЦК), гранецентрированная кубическая (ГЦК) и гексагональная плотноупакованная (ГПУ) (рис. 1)

В ячейке кубической объемно-центрированной решетки атомы расположены в вершинах куба и в центре куба; такую решетку имеют хром, ванадий, вольфрам, молибден и др. В ячейке кубической гранецентрированной решетки атомы расположены в вер­шинах и в центре каждой грани куба; такую решетку имеют алю­миний, никель, медь, свинец и др. В ячейке гексагональной решетки атомы расположены в вершинах шестиугольных оснований призмы, в центре этих оснований и внутри призмы; гексагональную решетку имеют магний, титан, цинк и др. В реальном металле кристалли­ческая решетка состоит из огромного количества ячеек.

Размеры кристаллической решетки характеризуются ее пара­метрами, измеряемыми в ангстремах — А (1А = 10 ^-8 см или lA = 0,1 Нм). Параметр кубической решетки характеризуется дли­ной ребра куба, обозначается буквой а и находится в пределах 0,28—0,6 Нм (2,8 — 6А). Для характеристики гексагональной решетки принимают два параметра — сторону шестигранника а и высоту призмы с. Когда отношение с/а -- 1,633, то атомы упако­ваны наиболее плотно, и поэтому такая решетка называется гекса­гональной плотноупакованной.

Рис.1. Атомно-кристаллическое строение металлов.

Свойства кристалла определяются не только типом кристал­лической решетки, но и характером взаимодействия атомов, ионов и электронов между собой. При переходе паров металла в жидкость, а затем в твердое состояние его атомы сближаются настолько, что валентные электроны получают возможность пере­ходить от одного атома к другому и свободно перемещаться, таким образом, по всему объему металла, обеспечивая высокую электро- и теплопроводность. Между электронами и положительными ионами возникают силы электрического взаимодействия.

Рис. 2. Схемы кристаллических решеток:

а – объемно-центрированная кубическая; б — гранецентрированная кубическая; в — гексагональная плотноупакованная.

В зависимости от температуры и давления многие металлы могут образовывать различные типы кристаллических решеток. Эта способность металлов носит название полиморфизма или алло­тропии. Полиморфные превращения свойственны таким широко применяемым в машиностроении металлам, как Fe, Ti, Mn, Co, Sn. Полиморфные модификации элементов обычно обозначают, начи­ная с наиболее низкотемпературны, буквами α, β, γ, δ и т. д. Так например: железо при нагреве до температуры 910 °С образует модификацию α-Fe с ОЦК-решеткой, в интервале 910—1400 °С — γ-Fe с ГЦК-решеткой и свыше 1400 °С — δ-Fe с решеткой ОЦК. При этом происходит существенное изменение свойств материала. Это явление широко используют в технике для улучшения обра­батываемости металлов, при их термообработке и других про­цессах.

Для характеристики формы и размера элементарной ячейки кристаллической решетки используют (рис.2) шесть основных параметров: расстояния по осям координат — a, b, c называемые периодом решетки, и три угла — α, β, γ между этими отрезками. Кроме основных параметров в кристаллографии при­няты еще другие, дополнительно характеризующие кристалличе­скую решетку.

В различных плоскостях кристаллической решетки атомы рас­положены с различной плотностью и поэтому многие свойства кристаллов в различных направлениях различны. Такое различие называется анизотропией.

Все кристаллы анизотропны. В отличие от кристаллов аморф­ные тела (например, смола) в различных направлениях имеют в основном одинаковую плотность атомов и, следовательно, одина­ковые свойства, т. е. они изотропны.

В металлах, состоящих из большого количества по-разному ориентированных мелких анизотропных кристаллов (поликри­сталл), свойства во всех направлениях одинаковы (усредненные). Эта кажущаяся независимость свойств от направления называется квазиизотропией *.

Если в структуре металла создается одинаковая ориентировка кристаллов, то появляется анизотропия.

При переходе металла из жидкого состояния в твердое про­исходит так называемый процесс кристаллизации. Основы теории кристаллизации разработаны основоположником науки о металлах — металловедения Д. К. Черновым, кото­рый установил, что кристаллизация состоит из двух процессов: зарождения мельчайших частиц кристаллов (зародышей кристаллизации) и роста кристаллов из этих центров (рис.3).

Рис.3. Последовательные этапы процесса кристаллизации.

Рост кристаллов заключается в том, что к их зародышам при­соединяются все новые атомы жидкого металла. Сначала кристаллы растут свободно, сохраняя правильную геометрическую форму, но это происходит только до момента встречи растущих кристаллов. В месте соприкосновения кристаллов рост отдельных их граней прекращается и развиваются не все, а только некоторые грани кристаллов. В результате кристаллы не имеют правильной геометрической формы. Такие кристаллы называют кристаллитами или зернами. Величина зерен зависит от числа центров кристаллизации и скорости роста кристаллов. Чем больше центров кристаллизации, тем больше кристаллов образуется в данном объеме и каждый кристалл (зерно) меньше. На образование центров кристаллизации влияет скорость охлаждения. Чем больше скорость охлаждения металла, тем больше возникает в нем центров кристаллизации, и зерна получаются мельче (рис.4). Это подтверждается на практике в тонких сечениях литых деталей охлаждающихся более быстро, металл всегда получается более мелкозернистым, чем в толстых массивных литых деталях, охлаждающихся медленнее. Однако не всегда можно регулировать скорость охлаждения.

Всем кристаллам присуща анизотропия, т. е. неравномерность свойств по направлениям, определяемая различными рассто­яниями между атомами в кристаллической ячейке. Наиболее сильно анизотропия выражена у металлов, имеющих асимметричное кри­сталлическое строение. От направления действия сил в кристалле существенно зависят такие показатели физических свойств, как прочностные характеристики, модуль упругости, термический коэффициент расширения, коэффициенты тепло- и электропровод­ности, показатель светового преломления и др. Анизотропия характерна и для поверхностных слоев кристаллов. Такие свой­ства, как поверхностное натяжение, электронные потенциалы, адсорбционная способность, химическая активность существенно различаются у различных граней кристалла.

Рис.4. Влияние скорости охлаждения на возникновение центров кристаллизации и на величину образующихся зерен.

1 - медленное охлаждение, 2 – ускоренное охлаждение, 3 – быстрое охлаждение.

Строение и свойства реальных кристаллов отличаются от иде­альных, представленных на рис. 1, вследствие наличия в них дефектов, которые подразделяют на поверхностные и внутренние. Реальный единичный кристалл обладает свободной (наружной) поверхностью, на которой уже вследствие поверхностного натяже­ния решетка будет искажена. Это искажение может распростра­няться и на прилегающую к поверхности зону.

Рис.5. Дефекты кристаллической решетки:

а — точечные; б — линейные; в - двухмерные (плоскостные)

Дефекты внутреннего строения подразделяют на нульмерные (точечные), одномерные — линейные и двухмерные, т. е. развитые в двух направлениях. К точечным дефектам относятся: вакансии в случае, когда отдельные узлы кристаллической решетки не за­няты атомами; дислоцированные атомы, когда отдельные атомы оказываются в междуузлиях, или примесные атомы, количество которых даже в чистых металлах весьма велико. Около таких дефектов решетка будет упруго-искаженной на расстоянии одного-двух ее периодов (рис. 5, а). Хотя относительная концентрация точечных дефектов может быть невелика, они вызывают чрезвы­чайно большие изменения физических свойств материала. Напри­мер, тысячные доли атомного процента примесей к чистым полу­проводниковым кристаллам изменяют их электрическое сопроти­вление в 10⁵—10⁸ раз.

Линейные дефекты малы в двух измерениях кристаллической решетки и достаточно велики в третьем. К таким дефектам отно­сятся смещения атомных плоскостей или дислокации и цепочки вакансий (рис. 5, б). Важнейшим свойством таких дефектов является их подвижность внутри кристалла и активное взаимо­действие между собой и с другими дефектами.

Плотность дислокаций в кристаллах велика: в недеформированных кристаллах их количество на 1 см³ достигает 10⁶—10⁸; при пластической деформации происходит возникновение новых дисло­каций, и это число увеличивается в тысячи раз. Двухмерные де­фекты характерны для поликристаллических материалов, т. е. для материалов, состоящих из большого количества мелких кристаллов, различно ориентированных в пространстве.

Граница сросшихся при затвердевании кристаллов предста­вляет собой тонкую, до 10 атомных диаметров, зону с нарушением порядка в расположении атомов. В поликристаллическом теле границы отдельных кристаллов имеют криволинейные поверх­ности раздела, а сами кристаллы — неправильную форму. По­этому их, в отличие от правильно ограниченных кристаллов, на­зывают кристаллитами или зернами. Зерна поликристалла при затвердевании растут из различных центров кристаллизации и ориентация осей кристаллических решеток соседних зерен раз­лична. Зерно металла состоит из отдельных блоков, ориентирован­ных один по отношению к другому под небольшим углом. Границы между ними представляют собой обычно скопления дислокаций (рис. 5, в). Поверхностные дефекты малы только в одном направле­нии; в двух других они могут достигать размера кристаллита.

Влияние дефектов строения на свойства материалов огромно. Например, прочность реальных кристаллов на сдвиг из-за наличия дефектов строения уменьшается на три-четыре порядка по сравне­нию с той же характеристикой идеального кристалла. Влияние дефектов строения на прочностные характеристики металлов не однозначно. Из представленной на рис. 6 зависимости видно, что прочность практически бездефектных кристаллов (так называемых «усов») очень высока. Увеличение количества п дефектов строения в 1 см³ приводит к резкому снижению прочности (ветвь А). Точка Р_к характеризует прочность металлов, которые принято называть «чистыми». Дальнейшее увеличение дефектов, например, введением легирующих примесей или методами специального искажения кристаллической решетки повышает реальную прочность металлов (ветвь В). Для создания наиболее прочных материалов стараются получить оптимальное количество дефектов. Наибольшее упроч­нение достигается при плотности дислокаций 10¹² —10¹⁸ на 1 см³.

Рис. 6. Зависимость проч­ности кристаллического тела от плотности де­фектов строения

Кроме влияния на прочностные характеристики дефекты ре­шетки играют большую роль в процессах диффузии и самодиффу­зии, которые во многом определяют скорости протекания хими­ческих реакций в твердом теле, а также ионную проводимость кристаллов. Дефекты кристаллической решетки, распределенные необходимым образом по объему кристалла, позволяют создавать в одном образце области с различными типами проводимости, что является необходимым при изготовлении некоторых полупровод­никовых элементов.

В технике значительно чаще применяют не чистые металлы, а сплавы, состоящие из двух или нескольких элементов, называ­емых компонентами. В качестве компонентов сплавов могут быть как чистые элементы, так и химические соединения. Широкое применение сплавов в качестве машиностроительных материалов можно объяснить тем, что они обладают разнообразным комплек­сом свойств, которые могут быть направленно изменены в зависимости от количества и вида компонентов, а также с помощью термической или других видов обработки.

Рис. 7. Виды кристаллических решеток сплавов.

а — твердый раствор замещения; б — твердый раствор внедрения; в — химическое соединение

При сплавлении ком­поненты образуют в сплаве фазы — однородные объемы, разграниченные друг от друга поверхностями раздела — границами, при переходе через которые свойства могут изменяться скачко­образно. В сплавах образуются следующие основные фазы: твер­дые растворы, химические соединения и механические смеси.

Твердые растворы являются наиболее распространенной фазой в металлических сплавах. Характерной особенностью их строения является сохранение кристаллической решетки металла-раствори­теля. Растворенные металлы могут быть распределены в ней в виде твердого раствора замещения (рис. 7, а) в том случае, если у обоих компонентов однотипные решетки, достаточно близкие атомные радиусы и физико-химические свойства, или в виде твердого раствора внедрения (рис. 7, б), если атомный радиус растворенного компонента достаточно мал.

Химические соединения обычно образуются между металлами и неметаллами и обладают свойствами неметаллических включе­ний, а также между металлами. При этом образуется новый тип кристаллической решетки, отличной от решеток составляющих компонентов и обладающий другими свойствами (рис.7, в). При сплавлении компонентов с весьма различными атомными радиусами и электрохимическими свойствами взаимная раствори­мость практически отсутствует. В этом случае образуется механи­ческая смесь кристаллов компонентов.

. Как правило, в много­компонентных металлических сплавах можно одновременно встре­тить три вида фаз. Направленным изменением сочетания компонентов в сплавах можно изменять количество дефектов строения и, следо­вательно, управлять физико-механическими характеристи­ками.

При выборе материала для конструкции исходят из комплекса свойств, которые подразделяют на механические, физико-хими­ческие, технологические и эксплуатационные. К основным меха­ническим свойствам относят прочность, пластичность, ударную вязкость, усталостную прочность, ползучесть, твердость и износо­стойкость. Под прочностью понимают способность материала сопроти­вляться деформации или разрушению под действием статических или динамических нагрузок. При статических нагрузках произ­водят испытания на растяжение, сжатие, изгиб и кручение. Пока­зателем прочности является предел прочности образца испытуемого металла, приведенного на рис. 9, а.

,

где Р — нагрузка, необходимая для разрушения стандартного образца, МН; F₀ — площадь поперечного сечения образца в мм.

Дата добавления: 2014-01-07