Дислокационная структура и прочность металлов

На прочность металлов в сильной степени влияет наличие и вид дислокаций, а также характер расположения их относительно друг друга. Установлено, что наиболее прочными являются монокристаллы с бездефектной структурой. Для таких материалов теоретическая и практическая прочность одинаковы. Но в жизни редко встречаются монокристаллы. Использование свойств монокристаллических структур заключается в ведение в материал упрочняющих элементов в виде усов или викерсов, которые являются монокристаллами и играют роль арматуры для вещества. С другой стороны, при увеличении плотности дислокаций тоже происходит упрочнение структуры материала, т.к. они начинают мешать друг другу при движении. Таким образом, факторы, затрудняющие передвижение дислокаций также приводят к упрочнению материала.

 

СПОСОБЫ УПРОЧНЕНИЯ МЕТАЛЛОВ

1. Изменение свойств дислокации – влияет её плотность, т. е. S l, приходящаяся на единицу V металла. Чем ¯ r, тем ­ прочность. Наименьшая плотность должна быть у специально выращенных кристаллов (усов или викерсов). Широко применяются при изготовлении композиционных сплавов в качестве упрочнителей. Вследствие роста плотности дислокации начинают передвигаться по пересекающейся плоскости другой системы спонтанно и мешают движению друг друга.

 

       s, Па 

           А

                        С

             В                 r, см ^-2

                                 

 

2. Регулирование характера взаимного расположения дислокаций

- упорядоченные дислокационные стенки в этом случае лучше т. к. происходит держание в. и к. располагаются дислокации.

^ ^ ^ ^

^ ^ ^  ^ ^ ^ ^ ^

                                                                   

 

 

3. Взаимодействие между атомами внедрения и дислокациями (cталь – С и N) – препятствует передвижению и ­ прочности.

4. Создание дефектов упаковки кристаллической решетки.

                                                

                    - вычет                                                              внедрение

 

 

В результате образуется избыточная энергия, которая и упрочняет материал.

5. Включение стопоров

Мелкие включения твёрдых химических соединений – карбидов, нитритов, интерметаллидов.

Если расстояние между ними короче дислокации, то стопоры препятствуют свободному движению. Требуется условие F ¾ упрочнение.

  Чем стопоры мельче, тем упрочнение выше.

Если перегреть, то размер зерен ­, сплав разупрочняется. Упрочнением управляют, подбирают химический состав и термообработку.

                               

 

                                  

 

 

	после прорыва

                            

                        прорыв

 

Наиболее сильно снижается прочность при наличии концентраторов напряжения – трещин, несплошности, включения с острыми концами и резкие переходы в детали от одного сечения к другому.

Металлургическими дефектами являются неметаллические включения, FeS, SiO2, Al2O3, раковины, поры, крупнозернистость.

 

Наклёп металлов

Известно, что после ковки холодного металла возрастает его прочность и твёрдость. В то же время он становится хрупким. Это явление получило название “наклеп” – это и процесс и результат.

Происходит это с ростом плотности дислокации, но с ­ r ¯ запас пластичности, возникают зародыши трещин, т. е. наступает начальная стадия разрушения.

Наклепанные металлы прочнее, но более хрупкие. При наклепе ¯r, теплопроводность и электрическая проводимость. Обычно используется для поверхностного упрочнения деталей, так их подвергают холодной обработке давлением твердыми роликами для понижения износа и предотвращения усталостного разрушения.

Из всего вышеизложенного можно сделать следующие выводы:

Чтобы увеличить прочность металла, необходимо либо уменьшить число дефектов за счет получения монокристалла, либо увеличить число дефектов, ограничивая их подвижность.

Известны следующие способы решения этих задач:

1. Легирование – введение специальных примесей, которые будут взаимодействовать с дислокациями и затруднят их продвижение.

2. Закалка, то есть нагрев выше температуры фазового превращения, выдержка и контролируемое быстрое охлаждение, которое приводит к росту дефектов, уменьшению размеров зерен, и, следовательно, к росту границ зерен, которые непроходимы для дислокаций.

3. Наклеп.

 

 

Гл. 2. Механические свойства материалов и методы их определения.