2. Факторы, определяющие прочность

Прочность материала обеспечивается строением самого материала при его получении, формой детали, технологии получения и обработки, условиями эксплуатации.

2.1. Влияние строения кристалла на прочность

Реальные кристаллы никогда не обладают строгой периодичностью в расположении атомов и содержат дефекты кристаллического строения.

В зависимости от характерных пространственных размеров дефекты подразделяются на точечные, линейные, поверхностные и объемные.

К точечным дефектам относят вакансии, межузельные атомы, примесные атомы внедрения и замещения.

Даже самые совершенные кристаллы не могут быть избавлены от точечных дефектов. Каждой температуре соответствует определенная равновесная концентрация вакансий и межузельных атомов.

Вакансии являются самой важной разновидностью точечных дефектов, так как они обеспечивают процессы диффузии в твердых телах. Вообще, точечные дефекты оказывают ощутимое влияние на механические свойства при больших концентрациях.

Точечные дефекты могут зарождаться, аннигилировать, объединяться в комплексы, реагировать с линейными дефектами.

Среди способов повышения количества точечных дефектов рассматривают облучение нейтронами, закалку, пластическую деформацию.

Важнейшими линейными дефектами кристаллического строения являются дислокации. Дислокации возникают непосредственно уже при кристаллизации, и как точечные дефекты могут зарождаться, например, при действии нагрузки. Дислокации могут размножаться. Основным механизмом размножения являются источники Франка-Рида, позволяющие генерировать большое число дислокаций. В отдельных структурах полные дислокации могут расщепляться с образованием дефектов упаковки.

Дислокации могут взаимодействовать между собой. При движении разноименных дислокаций в одной плоскости происходит их аннигиляция, Дислокации, движущиеся в разных системах, образуют пороги, диполи, петли.

Дислокации могут образовывать комплексы, стенки, сетки. Дислокации могут взаимодействовать с точечными дефектами. Так, примесные атомы, скапливаясь у линии дислокации, образуют облака Коттрелла, а вакансии – облака Сузуки. Облака Коттрелла и Сузуки затрудняют движение дислокаций, что упрочняет металл.

Важнейшими характеристиками дислокаций являются их подвижность и плотность.

Под действием внешних сил дислокации могут перемещаться по кристаллу путем скольжения или переползания.

Под плотностью дислокаций понимают суммарную протяженность линий дислокаций в единице объема кристалла.

В металлах, полученных кристаллизацией из расплава, плотность дислокаций равна 10⁴÷10⁶ см^-2. Отжигом можно понизить эту величину до 10³÷10⁴ см^-2. При холодной пластической деформации плотность дислокаций достигает 10¹¹÷10¹² см^-2. Дальнейшее увеличение ведет к возникновению трещин и разрушению материала.

Дислокации оказывают значительное влияние на прочность металла. Основным механизмом пластической деформации является скольжение дислокаций. Следовательно, прочность может быть повышена за счет их торможения. Препятствиями для дислокаций при движении выступают другие дислокации, атомы примесей, частицы другой фазы, границы блоков, зерен.

При большой плотности дислокаций и малой их подвижности возможно увеличение прочности в несколько раз по сравнению с отожженным состоянием. Другим вариантом повышения прочности является значительное уменьшение плотности дислокаций. Так, прочность бездефектных участков, например, нитевидных кристаллов, близка к теоретической.

К поверхностным дефектам относят дефекты упаковки, двойниковые границы, границы зерен и внешняя поверхность кристалла.

Поверхностные дефекты также влияют на механические свойства, особенно границы зерен. Так, при деформации поликристаллических тел происходит взаимодействие дислокаций с большеугловыми границами зерен, которые являются непреодолимым препятствием для них. Чем мельче зерно, тем чаще и эффективнее это взаимодействие, тем, как правило, прочнее металл.

Границы между блоками (малоугловые границы) тоже препятствуют прохождению дислокаций при пластической деформации.

К объемным дефектам относят поры, пустоты, макроскопические трещины, сегрегации примесей, газовые и шлаковые раковины, частицы другой фазы. Они также изменяют прочность. Например, мелкодисперсные включения упрочняют сплавы, так как создают препятствия на пути движения дислокаций при пластической деформации, а грубые, особенно на границах зерен, охрупчивают его.

Таким образом, дефекты решетки упрочняют металлы и сплавы, понижают их пластичность. При возрастании концентрации дефектов увеличивается твердость, временное сопротивление, предел текучести; уменьшается остаточное удлинение, сопротивление удару надрезанного образца. Изменение свойств объясняется действующим полем упругих напряжений, возникающих вокруг дефектов.