Объясните как влияет наличие дислокаций на пластическую деформацию металлов



Объясните как влияет наличие дислокаций на пластическую деформацию металлов

В первую очередь дислокации влияют на механические свойства твердых тел (упругость, пластичность, прочность, внутреннее трение), для которых их присутствие часто является определяющим. Упругие поля дислокаций приводят к повышенной концентрации примесей вблизи ее оси и образованию так называемой атмосферы Коттрела, представляющей собой неоднородное распределение точечных дефектов вокруг дислокационной линии. Образование атмосферы Коттрела приводит к закреплению дислокации, и для ее отрыва от примесной атмосферы необходимо значительное механическое напряжение. Такое положение вещей может приводить к коагуляции примесей на дислокации. В прозрачных кристаллах, например, это приводит к изменению оптических свойств, которое выражается в «декорировании» кристалла, т. е. изменении его прозрачности.

Атмосфера примесных атомов, образующихся, как было показано выше, вблизи краевых дислокаций, представляет собой «якорь», удерживающий дислокацию около определенного положения. Малые напряжения сдвига t вызывают медленное движение дислокаций вместе с окружающей их атмосферой примесей. При достаточно больших напряжениях возможен отрыв дислокации от ее атмосферы, и начинается быстрое движение дислокации. Это явление объясняет возникновение так называемого «зуба» текучести, наблюдаемого на диаграмме деформации при пластической деформации некоторых металлов и сплавов, содержащих малые концентрации вес. % атомов внедрения, например углерода C в железе Fe , азота N в b — CuZn и других. На рис. 3.28 показано изменение зависимости напряжения ( t ) деформации при нагружении образца. При первом нагружении (рис. 3.28, а) вначале происходит медленная упругая деформация, затем появляется зубец, за которым начинается пластическая деформация при меньшем внешнем напряжении, сопровождающаяся постепенным упрочнением материала. После разгрузки образца и немедленного его повторного нагружения (рис. 3.28, б) зуб текучести не появляется. Это связано с тем, что за короткое время дислокации не успевают «обрасти» атмосферами примесных атомов и легко движутся. Если после разгрузки провести отжиг образца (длительный прогрев при высокой температуре), то при приложении механической нагрузки зуб текучести появляется вновь (рис. 3.28, в).

Рис. 3.28. Возникновение «зуба» текучести на диаграмме деформации: а − появление «зуба» текучести при нагружении образца, б − его отсутствие при повторном немедленном нагружении, в − зуб текучести появляется вновь после длительного отжига образца [55]

С явлением движения дислокаций в твердом теле связаны такие технически важные процессы, как упрочнение и разупрочнение материала при пластической деформации и отжиге. При движении дислокации приложенное напряжение совершает работу, одна часть которой идет на увеличение энергии дислокации, другая рассеивается в виде тепла, и третья часть расходуется на образование в пластически деформированном теле структурных дефектов, увеличивая его внутреннюю энергию. Увеличение внутренней энергии связано с искажением решетки пластически деформированных кристаллов из-за значительного увеличения плотности дислокаций, их скопления на препятствиях, увеличения концентрации точечных дефектов, образующихся в «шлейфах» движущихся дислокаций, и т. д. Порча решетки при пластической деформации, называемая в технике «наклепом», проявляется в упрочнении пластически деформированного тела, т. е. в повышении его сопротивления дальнейшим пластическим сдвигам, появлении хрупкости и т. д. Наклеп происходит в условиях холодной деформации, когда скорости самодиффузии и диффузии, а также снятие внутренних напряжений ( отдых) малы.

Дислокации изменяют оптические свойства кристаллов, на чем основан метод наблюдения изолированных дислокаций в прозрачных материалах. Нарушение регулярности кристаллической решетки в ядре дислокации приводит к тому, что в местах выхода линий дислокаций на внешнюю поверхность твердого тела химическая устойчивость кристалла ослабляется, и специальные реагенты способны разрушить окрестность оси дислокации, образуя видимые под микроскопом, а иногда даже невооруженным взглядом, ямки (рис. 3.29). На этом основан метод избирательного травления, являющийся основным методом наблюдения отдельных дислокаций в массивных образцах непрозрачных материалов.

Рис. 3.29. Ямки травления, используемые для определения плотности дислокаций [52]

Возникновение системы «оборванных» связей в ядре дислокации выделяет линию дислокации в электрическом, магнитном и оптическом отношении. Дислокация может нести или захватывать электрический заряд и обладать намагниченностью, отличной от средней намагниченности кристалла. Наличие дислокаций повышает электросопротивление проводников и изменяет концентрацию свободных электронов в полупроводниках. Значительную роль играют дислокации в магнитных кристаллах, существенно влияя на различные релаксационные явления.

Читайте также:  Чертежи пулемета максим с размерами толщина металла

Дислокации косвенно влияют на свойства кристаллов, зависящие от характера распределения и перемещения в них точечных дефектов (примесей, вакансий, центров окраски и др.). Во-первых, при определенном характере движения дислокация испускает или поглощает вакансии (переползание дислокации), изменяя их общее количество в кристалле. Динамическое образование заряженных вакансий в ионных кристаллах и полупроводниках может сопровождаться свечением (люминесценцией) кристалла. Во-вторых, скорость диффузионного перемещения точечных дефектов вдоль оси дислокации, как правило, больше, чем скорость их диффузии через объем регулярного кристалла. Коэффициент линейной диффузии вдоль дислокации может на несколько порядков превышать коэффициент объемной диффузии. Поэтому дислокации играют роль «дренажных трубок», по которым точечные дефекты довольно легко могут перемещаться на большие расстояния в кристалле. На этом явлении основан метод декорирования дислокаций. Он позволяет искусственно создать атмосферу примесных атомов вокруг дислокаций и сделать их видимыми. На рис. 3.30, а показана сетка дислокаций, а на рис. 3.29, б − дислокационные петли в кристалле хлорида калия ( KCl ), выявленные методом декорирования частицами серебра. Вследствие взаимодействия дислокаций возникает вторичная квазипериодическая структура сетки. Недостатком метода декорирования является изменение состояния кристалла за счет внедрения примесей в его кристаллическую решетку.

Рис. 3.30. Микроскопический снимок дислокаций, выявленных методом декорирования частицами серебра: а − сетка дислокаций; б − дислокационные петли в кристалле хлористого калия [55]

В совершенном кристалле ширина рентгеновской дифракционной линии мала.. В реальном кристалле вследствие его искажения (искривление атомных плоскостей, образование блочной структуры и т. д.) ширина линии увеличивается. Это приводит к дифракционному контрасту, позволяющему обнаружить дислокации в кристалле, если их плотность невелика. На этом эффекте основывается метод рентгеновской топографии. На рис. 3.31 приведена топограмма почти идеального кристалла кремния, на которой хорошо заметны отдельные дислокации.

Рис. 3.31. Дислокации в почти совершенном кристалле кремния, наблюдаемые методом рентгеновской топографии [55]

Плотность дислокаций в данном случае приблизительно 100 1/см 2 . При большой плотности возникает дислокационный лес, не позволяющий различать отдельные дислокации.

На явлении рассеяния электронов кристаллической решеткой твердого тела основан метод электронной микроскопии. Нарушения регулярной структуры кристалла в виде дислокаций в большинстве случаев достаточно хорошо выявляются на электронно-микроскопических изображениях. Просвечивающий электронный микроскоп (рис. 3.32) позволяет получить информацию о расположении и форме дефектов в объеме исследуемого образца, представляющего собой тонкую пленку [71]. Метод просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения при определенных условиях дает возможность обнаруживать и точечные дефекты.

Рис. 3.32. Просвечивающий электронный микроскоп

Другой метод микроскопии — растровая ( сканирующая) электронная микроскопия — основан на рассеянии электронов на потенциальном рельефе поверхности и приповерхностных слоев твердого тела. Он позволяет получить изображение дефектов, расположенных как на поверхности исследуемого образца, так и на глубине в доли микрона под ней. Вид растрового электронного микроскопа представлен на рис. 3.33.

Рис. 3.33. Сканирующий электронный микроскоп

Источник

Дефекты кристаллического строения металлов (дислокация) и их влияние на прочность.

В кристаллах всегда имеются дефекты (несовершенства) строения, обусловленные нарушением правильного расположения атомов кристаллической решетки. Де­фекты кристаллического строения подразделяют по геометрическим признакам на точечные, линейные и поверхностные.
Атомы совершают колебательные движений возле узлов решетки, и с повышением температуры амплитуда этих колебаний увеличивается. Большинство атомов данной кристаллической решетки имеют одинаковую (среднюю) энергию и колеблются при данной температуре с одинако­вой амплитудой. Однако отдельные атомы обла­дают энергией, значительно большей средней энер­гии, и перемещаются из одного места в другое. Наиболее легко перемещаются атомы поверх­ностного слоя, выходя на поверхность. Место, где находился такой атом, называется вакансией (рис. 2, а).

Рис. 2. Дефекты в кристаллах:
а — вакансия, б — внедренный атом, в краевая линейная дислокация, г — неправильное расположение атомов на границе зерен 1 и 2
На это место через некоторое время перемещается один из атомов соседнего слоя и т. д. Таким образом вакансия перемещается в глубь кристалла. С повышением температуры ко­личество вакансий увеличивается и они чаще пе­ремещаются из одного узла в другой. В диффу­зионных процессах, протекающих в металлах, ва­кансии играют определяющую роль. К точеч­ным дефектам относят также атом, внед­ренный в междоузлие кристаллической решетки (рис. 2, б), и замещенный атом, когда место ато­ма одного металла замещается в кристалличес­кой решетке другим, чужеродным атомом. Точеч­ные дефекты вызывают местное искажение кри­сталлической решетки.
Линейные дефекты являются другим важнейшим видом несовершенства кристалличе­ской решетки, когда в результате сдвига на одно межатомное расстояние одной части решетки относительно другой вдоль какой-либо плоскости число рядов атомов в верхней части решетки на один больше, чем в нижней. В данном случае в верхней части решетки появилась как бы лиш­няя атомная плоскость (экстраплоскость). Край экстраплоскости, перпендикулярный направле­нию сдвига, называется краевой, или линейной, дислокацией (рис. 2, в), длина которой мо­жет достигать многих тысяч межатомных рас­стояний. Шириной дислокации считают расстоя­ние от центра дефекта до места решетки без ис­кажения. Ширина дислокации мала и составляет несколько атомных расстояний.
Кристаллическая решетка в зоне дислокации упруго искажена, поскольку атомы в этой зоне смещены относительно их равновесного состоя­ния. Для дислокации характерна их легкая по­движность. Это объясняется тем, что атомы, об­разующие дислокацию, стремятся переместиться в равновесное состояние. Дислокации образуют­ся в процессе кристаллизации металлов (см. гл.1, § 2), а также при пластической деформа­ции, термической обработке и других процессах.
Поверхностные дефекты представляют собой границы раздела между отдельными кри­сталлами (рис. 2, г). На границе раздела атомы кристалла расположены менее правильно, чем в его объеме. Кроме того, по границам раздела скапливаются дислокации и вакансии, а также концентрируются примеси, что еще больше наpyшает порядок расположения атомов. При этом сами кристаллы разориентированы, т. е. могут быть повернуты относительно друг друга на де­сятки градусов. Прочность металла может либо увеличиваться вследствие искажений кристалли­ческой решетки вблизи границ, либо уменьшать­ся из-за наличия примесей и концентрации де­фектов. Дефекты в кристаллах существенно вли­яют на свойства металлов.

Читайте также:  Шкаф настенный 4u 523x300 металл серый разборный snr twc 4 ml snr lite

Анизотропия кристаллов. Неодинаковость фи­зических свойств среды в разных направлениях называют анизотропией. Анизотропия кри­сталлов обусловлена различаем плотности упа­ковки атомов в решетке в различных направле­ниях. Все кристаллы анизотропны, а аморфные тела (стекло, смола) изотропны, т. е. имеют оди­наковую плотность атомов в различных направ­лениях.
Анизотропия свойств важна при использовании монокристаллов — одиночных кристаллов, частицы которых расположены единообразно по всему их объему. Монокристаллы имеют правильную кристаллическую огранку (в форме ес­тественных многогранников), анизотропны по ме­ханическим, электрическим и другим физическим свойствам.
Металлы и сплавы, применяемые в технике, обычно имеют поликристаллическую структуру, т. е. состоят из множества мел­ких и различно ориентированных кристаллов, не имеющих правильной кристаллической огранки и называемых кристаллитами (или зернами). В каждом зерне поликристалла наблюдается анизотропия. Однако вследствие разнообразной, беспорядочной ориентировки кристаллографиче­ских плоскостей в различных зернах поликристалл может иметь одинаковые свойства по раз­ным направлениям и не обнаруживать анизотро­пию (когда размеры зерен значительно меньше размеров пол и кристалла и количество их весьма велико). Это обстоятельство во многих случаях позволяет рассматривать поликристаллическое тело как подобное изотропному, несмотря на ани­зотропию свойств отдельных составляющих его зерен.
9 Упругая и пластическая деформация.

Деформация – это изменение формы и размеров тела, деформация может вызываться воздействием внешних сил, а также другими физико-механическими процессами, которые происходят в теле. К деформациям относятся такие явления, как сдвиг, сжатие, растяжение, изгиб и кручение.

Упругая деформация – это деформация, которая исчезает после снятия нагрузки. Упругая деформация не вызывает остаточных изменений в свойствах и структуре металла; под действием приложенной нагрузки происходит незначительное обратимое смещение атомов.

При растяжении монокристалла возрастают расстояния между атомами, а при сжатии атомы сближаются. При смещении атомов из положения равновесия нарушается баланс сил притяжения и электростатического отталкивания. После снятия нагрузки смещенные атомы из-за действия сил притяжения или отталкивания возвращаются в исходное равновесное состояние и кристаллы приобретают первоначальные размеры форму.

Читайте также:  Шлифовальная головка для фрезерного станка по металлу

Деформация может быть упругой, исчезающей после снятия нагрузки, и пластической, остающейся после снятия нагрузки.

Самое малое напряжение вызывает деформацию, причем начальные деформации являются всегда упругими и их величина находится в прямой зависимости от напряжения. Основными механическими свойствами являются прочность, пластичность, упругость.

Важное значение имеет пластичность, она определяет возможность изготовления изделий различными способами обработки давлением. Эти способы основаны на пластическом деформировании металла.

Материалы, которые имеют повышенную пластичность, менее чувствительны к концентраторам напряжений. Для этого проводят сравнительную оценку различных металлов и сплавов, а также контроль их качества при изготовлении изделий.

Физическая природа деформации металлов

Под действием напряжений происходит изменение формы и размеров тела. Напряжения возникают при действии на тело внешних сил растяжения, сжатия, а также в результате фазовых превращений и некоторых других физико-химических процессов, которые связанны с изменением объема. Металл, который находится в напряженном состоянии, при любом виде напряжения всегда испытывает напряжения нормальные и касательные, деформация под действием напряжений может быть упругой и пластической. Пластическая происходит под действием касательных напряжений.

Упругая – это такая деформация, которая после прекращения действия, вызвавшего напряжение, исчезает полностью. При упругом деформировании происходит изменение расстояний между атомами в кристаллической решетке металла.

С увеличением межатомных расстояний возрастают силы взаимного притяжения атомов. При снятии напряжения под действием этих сил атомы возвращаются в исходное положение. Искажение решетки исчезает, тело полностью восстанавливает свою форму и размеры. Если нормальные напряжения достигают значения сил межатомной связи, то произойдет хрупкое разрушение путем отрыва. Упругую деформацию вызывают небольшие касательные напряжения.

Пластической называется деформация, остающаяся после прекращения действия вызвавших ее напряжений. При пластической деформации в кристаллической решетке металла под действием касательных напряжений происходит необратимое перемещение атомов. При небольших напряжениях атомы смещаются незначительно и после снятия напряжений возвращаются в исходное положение. При увеличении касательного напряжения наблюдается необратимое смещение атомов на параметр решетки, т. е. происходит пластическая деформация.

При возрастании касательных напряжений выше определенной величины деформация становится необратимой. При снятии нагрузки устраняется упругая составляющая деформации. Часть деформации, которую называют пластической, остается.

При пластической деформации необратимо изменяется структура металла и его свойства. Пластическая деформация осуществляется скольжением и двойникованием.

Скольжение в кристаллической решетке протекает по плоскостям и направлениям с плотной упаковкой атомов, где сопротивление сдвигу наименьшее. Это объясняется тем, что расстояние между соседними атомными плоскостями наибольшее, т. е. связь между ними наименьшая. Плоскости скольжения и направления скольжения, лежащие в этих плоскостях, образуют систему скольжения. В металлах могут действовать одна или одновременно несколько систем скольжения.

Металлы с кубической кристаллической решеткой (ГЦК и ОЦК) обладают высокой пластичностью, скольжение в них происходит во многих направлениях.

Процесс скольжения не следует представлять как одновременное передвижение одной части кристалла относительно другой, оно осуществляется в результате перемещения в кристалле дислокаций. Перемещение дислокации в плоскости скольжения ММ через кристалл приводит к смещению соответствующей части кристалла на одно межплоскостное расстояние, при этом справа на поверхности кристалла образуется ступенька.

Источник

Поделиться с друзьями
Металл