|
ПРОСТРАНСТВЕННАЯ АТОМНАЯ РЕШЕТКАПоликристаллическое твердое тело состоит из множества беспорядочно ориентированных кристаллов или зерен. Зерна ограничиваются поверхностью твердого тела или поверхностями других зерен, причем последние образуют границы зерен.
Рис.1.2. Три кристаллические решетки, типичные для металлов: а — объемноцентрировакная кубическая, б–– гранецентрированная кубическая;в — плотноупакованная гексагональная
Каждый отдельный кристалл состоит из правильно расположенных в пространстве однотипных элементарных ячеек с атомами (или ионами), расположенными в узловых точках. Совокупность таких ячеек образует пространственную атомную решетку. Оказывается, что расположение атомов или ионов в пространстве можно свести к 32 кристаллическим классам [7]. Из них только три представляют особый интерес для технологии обработки металлов, так как большая часть металлов относится именно к этим трем группам. В табл. 1.2 дан перечень металлов, относящихся к этим трем типам кристаллической решетки. На рис.1.2 показано расположение атомов в элементарных ячейках каждой из этих трех решеток. Таблица 1.2 Три группы металлов, имеющих простые кристаллические решетки
МЕХАНИЗМ ДЕФОРМАЦИИ Приложением внешних сил в кристалле можно вызвать как упругую, так и пластическую деформацию. Так как пластическая деформация начинается только после того, как напряженное состояние превысит некоторое критическое значение (это будет показано в последующих главах), то ясно, что упругая и пластическая деформации могут быть одновременно. Упругая деформация является результатом изменения расстояний между атомами в пространственной решетке. Характер этих изменений зависит от того, какие усилия, нормальные или касательные, прилагаются к твердому телу. Упругая деформация может произойти в направлении приложения нормального напряжения. Чтобы пластическая деформация могла произойти, необходимо, чтобы касательные напряжения достигли некоторой критической величины. Такие касательные напряжения могут вызывать два основных вида деформации: или так называемое трансляционное скольжение по некоторым плоскостям, или же двойнико-вание. Трансляционное скольжение является обычным механизмом скольжения при холодной и горячей обработке металлов и их сплавов давлением. При трансляционном скольжении одни слои атомов кристалла скользят по другим слоям, причем перемещение происходит на дискретную величину, равную целому числу межатомных расстояний, как показано на рис.1.3, а. Расположение атомов в элементарных ячейках после каждого скольжения сохраняется, и твердое тело не изменяет своего кристаллического строения во время пластической деформации. Деформация этого типа происходит не по смежным атомным плоскостям, а по плоскостям, находящимся на значительно больших расстояниях друг от друга. Такая деформация обычно носит гетерогенный характер и происходит по плоскостям с наиболее плотным расположением атомов. Двойникование также происходит только при достижении касательными напряжениями некоторой критической величины. Однако этот вид скольжения представляет собой гомогенную деформацию, как показано на рис. 1.3, б. Каждый слой кристалла смещается на пропорциональное расстояние. В результате такой деформации новый кристалл представляет собой зеркальное отражение первоначального кристалла. Таким образом, в конечном результате деформации кристаллическое строение сохраняется, хотя во время процесса деформации оно временно нарушается. Цинк, деформированный при комнатной температуре, деформируется двойникованием по базисной плоскости своей плотноупакованной гексагональной решетки, и процесс двойникования можно даже услышать (в виде легкого потрескивания), если образец из цинка подвергнуть пластическому изгибу. Следует заметить, что, помимо двух основных видов деформации, в поликристаллических твердых телах могут происходить вторичные деформации, такие как изгибание и скручивание плоскостей скольжения.
Рис. 1.3. Механизм скольжения: а — трансляционное скольжение; б — двойникование СОВЕРШЕННЫЙ КРИСТАЛЛ Совершенным кристаллом является такой кристалл, в котором структура кристаллической решетки простирается равномерно во всех направлениях. Совершенный кристалл встречается редко и не существует в больших объемах металла. Реальные кристаллы имеют большое число дефектов и, следовательно, их структура неравномерна. Помимо того, что атомы или ионы совершают тепловые колебательные движения около средних положений, в них могут присутствовать следующие дефекты [7]: 1) точечные несовершенства, такие как вакансии в узлах кристаллической решетки и внедренные атомы посторонних примесей; 2) линейные несовершенства — дислокации; 3) поверхностные несовершенства, такие как границы зерен, границы двойников, границы фаз, дефекты упаковки и поверхность кристалла; 4) объемные несовершенства, такие как пустоты и включения. Оказывается, что нельзя получить макроскопические кристаллические материалы без дислокаций и точечных дефектов, хотя недавно испытанные железные нитевидные монокристаллы, так называемые «усы» [6], показавшие необычно высокие прочностные свойства, могли бы приблизиться к структуре совершенного кристалла.
а – совершенный кристалл из двух слоёв атомов; б – смещение верхнего слоя атомов в результате сдвига в направлении X; в – изменение касательного напряжения в зависимости от смещения атомов в направлении X.
Рассмотрим теоретическую прочность совершенного кристалла. На рис.1.4, а показаны два смежных слоя атомов в таком кристалле. Если приложить равномерное касательное усилие Fs, к верхнему слою атомов, этот слой можно сместить в направлении х на величину, которая зависит от величины и направления Fs. Напряжение, создаваемое таким нагружением, можно записать следующим образом: (1.1) Касательное напряжение (обозначение напряжений см. в гл. 3) вызывает смещение верхнего слоя в неравновесные положения х1 х2, х3, х4 (рис.1.4, б). Величина этого необходимого касательного напряжения в первом приближении изменяется по синусоиде (рис.1.4, в). Это распределение напряжений не учитывает взаимодействия других соседних атомов, показанных на рис.1.4, б. Видно, что напряжение сначала повышается до максимума в точке х1 и затем становится нулевым в точке х2. Между точками х2 и х4 напряжение является отрицательным, и не нужно прилагать никакой внешней силы, чтобы переместить атомы в положение х4. Таким образом, внешнюю энергию, которая требуется для перемещения всех атомов из положения 0 в х4, можно приближенно выразить следующей зависимостью: (1.2) энергия е на единицу площади равна
(1.3) Необратимый характер этого процесса деформации очевиден; также ясно, что пластическая деформация должна сопровождаться увеличением энтропии. Мгновенное касательное напряжение в соответствии с синусоидальным распределением напряжения на рис.1.4, в можно выразить так: . (1.4) В начале координат при небольших значениях х, sin(2 x/a) 2 х/а, и по закону Гука получаем зависимость (1.5) где G — модуль сдвига. Таким образом, в начале координат (1.6) Из уравнения (1.6) получаем максимальное касательное напряжение при условии, что : . (1.7) Выражение (1.7) для максимального касательного напряжения теперь является классическим. Впервые оно было вычислено Френкелем и справедливо при . Однако уравнение (1.7) является только приближенным, так как в нем не учитываются межатомные силы и эффект Пуассона. Тем не менее это уравнение дает в первом приближении значение теоретического касательного напряжения, при котором атомы находятся в неустойчивом положении и должна начаться пластическая деформация. Чтобы получить приблизительную величину , можно выразить G через модуль Юнга Е и коэффициент Пуассона v: . . (1.8)
Для мягкой стали Е = 2,1 • 103 кГ/мм2, a v ~ 0,3; следовательно, G ~ 8,1-103 кГ/мм2. Подставляя эту величину G в выражение (1.7), получаем 1300 кГ/мм2. Если сравним с полученным значением касательного напряжения при течении мягкой стали = 21кГ/мм2, то увидим, что Хотя вышеприведенные вычисления являются только приближенными, очевидно, что теоретическая прочность на сдвиг должна быть на несколько порядков выше действительной прочности на сдвиг технических металлов и сплавов, применяемых при обработке давлением. Следовательно, механизм деформации кристаллов или зерен технических металлов и их сплавов должен отличаться от механизма деформации совершенных кристаллов. Этот механизм описывается в следующем разделе.
Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам... Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем... ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры... Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор... Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:
|