Вопрос 2. Влияние несовершенств кристаллического строения на механические свойства материалов

Дислокационная структура материала характеризуется плотностью дислокаций. Она является характеристикой, непосредственно влияющей на сопротивление материала пластической деформации.

Плотность дислокации в значительной мере определяет такие механические свойства, как пластичность и прочность материала.

Дислокации влияют не только на прочность и пластичность, но и на другие свойства кристаллов. С увеличением плотности дислокаций возрастает внутреннее трение (вязкость), 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.

 

Тема №2 Физико-механические свойства материалов и методы их определения

Вопрос 1. Физические свойства материалов

Плотность

Плотность ( ρ = m / V, г/см³) является одной из важнейших характеристик металлов и сплавов, численно равная отношению массы однородного тела к его объёму. По плотности металлы делят на следующие группы:

– лёгкие (плотностью не более 5 г/см³) — Mg, Be, Al, Ti и др.;

– тяжёлые (плотностью от 5 до 10 г/см³) — Fe, Ni, Cu, Zn, Sn и др. (это наиболее обширная группа);

– очень тяжелые (плотностью более 10 г/см³) — Мо, W, Au, Pb и др.

Самый легкий металл — литий Li (ρ = 0,53 г/см³), самый тяжёлый — осмий Os (ρ = 22,6 г/см³).

Важность плотности как физической характеристики материала обусловлена использованием установок в таких отраслях промышленности, как судостроение, транспортное машиностроение и особенно авиационная и ракетно-космическая техника. Для таких объёмов одним их решающих условий применения является минимизация массы технического объекта.

Температура плавления

Температура плавленияТ _пл, ºС характеризует переход металла из твёрдого состояния в жидкое.

Температура плавления Т _пл и равная ей температура затвердевания — характерный признак конкретного вещества.

Физическая сущность процесса плавления состоит в следующем. При плавлении нарушается порядок в расположении атомов, существующий в твёрдом состоянии, — происходит разрушение пространственной кристаллической решётки. В кристаллическом теле атомы совершают колебательные движения около своих положений равновесия. С повышением температуры амплитуда их колебаний возрастает (происходит повышение внутренней энергии тела) и достигает некоторой критической величины, после чего кристаллическая решётка разрушается. В свою очередь для разрушения кристаллической решётки требуется дополнительная тепловая энергия, поэтому в процессе плавления температура не повышается до тех пор, пока не произойдет разрушения всей кристаллической решётки тела, несмотря на то, что тепло продолжает поступать.

Температура плавления Т _пл, подобно температуре кипения, зависит от давления. Для веществ, у которых увеличивается объём при плавлении, повышение давления снижает температуру плавления Т _пл, и наоборот.

В зависимости от температуры плавления металлы подразделяются на следующие группы:

– легкоплавкие (температура плавления не превышает 600ºС) — Zn, Sn, Pb и др.;

– среднеплавкие (от 600 до 1600ºС). К ним относится почти половина металлов, в том числе Mg, Al, Fe, Ni, Cu, Au;

– тугоплавкие (более 1600ºС) — W, Мо, Ti, Сr и др.

Самым легкоплавким металлом является ртуть Hg (Т _пл = –39ºС). Цезий Cs и галлий Ga плавятся в руках. Самым тугоплавким металлом является вольфрам W (Т _пл = 3390ºС), поэтому он применяется для изготовления нитевидных спиралей электроламп.

Удельная теплоёмкость

Теплоёмкость — способность материала при нагревании поглощать определённое количество тепла, а при остывании его отдавать.

Удельная теплоёмкостьС _р, (Дж/кг·К) или (Дж/кмоль·К) — это количество энергии (теплоты), необходимое для повышения температуры единицы массы тела на один градус

 ,

где m — масса материала, кг;

Δ t — разность температур материала до и после нагревания, К;

Q — количество теплоты, переданное образцу.

Удельная теплоёмкость С _р уменьшается с увеличением порядкового номера элемента в таблице Менделеева.

Удельные теплоёмкости разных металлов различны и, как правило, значительно меньше, чем у других веществ, благодаря хорошей теплопроводности. Например, у алюминия Al С _р = 880 Дж/кг·К; у железа Fe С _р = 460 Дж/кг·К; у меди Сu С _р = 385 Дж/кг·К; свинца Pb С _р = 130 Дж/кг·К.

Удельная теплоёмкость С _р слабо растёт с повышением температуры и сильно меняется при фазовых превращениях. Известно также, что при высоких температурах теплоёмкость металлов и других кристаллических тел почти не изменяется и близка к постоянному значению. С понижением температуры теплоёмкость начинает быстро падать. Вблизи абсолютного нуля теплоёмкость всех тел стремится к нулю. При криогенных температурах даже малое количество теплоты существенно изменяют температуру материала.