Деформация металлов
рживать еще
более высокие температуры.
КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА
Выше речь шла об общих закономерностях поведения металлов под
действием механических нагрузок. Чтобы лучше понять соответствующие
явления, нужно рассмотреть атомное строение металлов. Все твердые металлы –
кристаллические вещества. Они состоят из кристаллов, или зерен,
расположение атомов в которых соответствует правильной трехмерной решетке.
Кристаллическую структуру металла можно представить как состоящую из
атомных плоскостей, или слоев. Когда прикладывается напряжение сдвига
(сила, заставляющая две соседние плоскости металлического образца скользить
друг по другу в противоположных направлениях), один слой атомов может
сдвинуться на целое межатомное расстояние. Такой сдвиг скажется на форме
поверхности, но не на кристаллической структуре. Если один слой сдвинется
на много межатомных расстояний, то на поверхности образуется «ступенька».
Хотя отдельные атомы слишком малы, чтобы их можно было увидеть под
микроскопом, ступеньки, образовавшиеся за счет скольжения, хорошо видны под
микроскопом и названы линиями скольжения.
Обычные металлические предметы, встречающиеся нам ежедневно, являются
поликристаллическими, т.е. состоят из большого числа кристаллов, в каждом
из которых своя ориентация атомных плоскостей. Деформация обычного
поликристаллического металла имеет с деформацией монокристалла то общее,
что она происходит за счет скольжения по атомным плоскостям в каждом
кристалле. Заметное же скольжение целых кристаллов по их границам
наблюдается только в условиях ползучести при повышенных температурах.
Средний размер одного кристалла, или зерна, может составлять от нескольких
тысячных до нескольких десятых долей сантиметра. Желательна более мелкая
зернистость, так как механические характеристики мелкозернистого металла
лучше, чем у крупнозернистого. Кроме того, мелкозернистые металлы менее
хрупки.
Скольжение и дислокации. Процессы скольжения удалось подробнее
исследовать на монокристаллах металлов, выращенных в лаборатории. При этом
выяснилось не только то, что скольжение происходит в некоторых определенных
направлениях и обычно по вполне определенным плоскостям, но и то, что
монокристаллы деформируются при очень малых напряжениях. Переход
монокристаллов в состояние текучести начинается для алюминия при 1, а для
железа – при 15–25 МПа. Теоретически же этот переход в обоих случаях должен
происходить при напряжениях ок. 10 000 МПа. Такое расхождение между
экспериментальными данными и теоретическими расчетами на протяжении многих
лет оставалось важной проблемой. В 1934 Тейлор, Полани и Орован предложили
объяснение, основанное на представлении о дефектах кристаллической
структуры. Они высказали предположение, что при скольжении сначала
происходит смещение в какой-то точке атомной плоскости, которое затем
распространяется по кристаллу. Граница между сдвинувшейся и несдвинувшейся
областями (рис. 4) представляет собой линейный дефект кристаллической
структуры, названный дислокацией (на рисунке эта линия уходит в кристалл
перпендикулярно плоскости рисунка). Когда к кристаллу прикладывается
напряжение сдвига, дислокация движется, вызывая скольжение по плоскости, в
которой она находится. После того как дислокации образовались, они очень
легко движутся по кристаллу, чем и объясняется «мягкость» монокристаллов.
Рис. 4. КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ РЕШЕТКА. а – напряжение сдвига прилагается в
направлении стрелок; слева образуется дислокация (б), обведенная кружком,
которая движется вправо (в), после чего снова восстанавливается равновесие
(г).
В кристаллах металлов обычно имеется множество дислокаций (общая длина
дислокаций в одном кубическом сантиметре отожженного металлического
кристалла может составлять более 10 км). Но в 1952 научные сотрудники
лабораторий корпорации «Белл телефон», испытывая на изгиб очень тонкие
нитевидные кристаллы («усы») олова, обнаружили, к своему удивлению, что
изгибная прочность таких кристаллов близка к теоретическому значению для
совершенных кристаллов. Позднее были обнаружены чрезвычайно прочные
нитевидные кристаллы и многих других металлов. Как предполагают, столь
высокая прочность обусловлена тем, что в таких кристаллах либо вообще нет
дислокаций, либо имеется одна, идущая по всей длине кристалла.
Температурные эффекты. Влияние повышенных температур можно объяснить,
исходя из представлений о дислокациях и зеренной структуре. Многочисленные
дислокации в кристаллах деформационно-упрочненного металла искажают
кристаллическую решетку и увеличивают энергию кристалла. Когда же металл
нагревается, атомы становятся подвижными и перестраиваются в новые, более
совершенные кристаллы, содержащие меньше дислокаций. С такой
рекристаллизацией и связано разупрочнение, которое наблюдается при отжиге
металлов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бернштейн М.Л., Займовский В.А. Механические свойства металлов. М., 1979
2. Уайэтт О.Г., Дью-Хьюз Д. Металлы, керамики, полимеры. М., 1979
3. Павлов П.А. Механические состояния и прочность материалов. Л., 1980
4. Соболев Н.Д., Богданович К.П. Механические свойства материалов и основы
физики прочности. М., 1985
5. Жуковец И.И. Механические испытания металлов. М., 1986
6. Бобылев А.В. Механические и технологические свойства металлов. М., 1987
| |  скачать работу |
Деформация металлов |
