10162
.pdfственным стандартам
№№ |
Наименование стандарта |
ГОСТа |
|
|
|
380-88 |
Сталь углеродистая обыкновенного качества. Марки. |
535-88 |
Прокат сортовой и фасонный из стали углеродистой |
|
обыкновенного качества. Общие технические условия. |
1050-88 |
Прокат сортовой, калиброванный со специальной отдел- |
|
кой поверхности из углеродистой качественной конструкци- |
|
онной стали. Общие технические условия. |
1414-75Е |
Прокат из конструкционной стали высокой обрабаты- |
|
ваемости резанием. Технические условия |
1435-90 |
Прутки, полосы и мотки из инструментальной нелегиро- |
|
ванной стали |
4543-71 |
Прокат из легированной конструкционной стали. Техни- |
|
ческие условия |
5632-72 |
Стали высоколегированные и сплавы коррозионностой- |
|
кие, жаростойкие и жаропрочные. Марки. |
5950-73 |
Прутки и полосы из инструментальной легированной |
|
стали. Технические условия |
14959-79 |
Прокат из рессорно-пружинной углеродистой и легиро- |
|
ванной стали. Технические условия. |
19265-73 |
Прутки и полосы из быстрорежущей стали. Технические |
|
условия. |
|
|
10
Рис. 1.2. Классификация металлов и сплавов [10]
11
1.2.Атомно-кристаллическое строение и свойства металлов
1.2.1.Основные типы кристаллических решеток
Строение кристаллической решетки описывается элементарной ячей-
кой. Элементарная ячейка – это наименьший объем кристалла, дающий представление о строении всего кристалла. Характеристики ячейки – ребра a, b, c и углы между ними α, β, γ; отрезки a, b, c называются пе-
риодами решетки.
В металлах атомы располагаются в строгом порядке, как атомы в плоскости образуют атомную сетку, а в пространстве – атомнокристал-
лическую решетку (рис. 1 . 3). Линии на этих схемах являются услов-
ными; в действительности никаких линий не существует, а атомы ко-
леблются возле точек равновесия, т. е. узлов решетки с большой часто-
той.
a |
b |
|
g |
Рис. 1.3. Схема кристаллической решетки |
Типы кристаллических решеток различны. Наиболее часто встре-
чаются следующие решетки: кубическая объемно-центрированная, куби-
12
ческая гранецентрированная и гексагональная плотноупакованная.
Элементарные ячейки таких кристаллических решеток приведены на рис. 1 . 4. В ячейке кубической объемно-центрированной решетки атомы расположены в вершинах куба и в еѐ центре; такую решетку имеют хром, ванадий, вольфрам, молибден и др. В ячейке кубической гранецентрированной атомы расположены в вершинах и в центре каж-
дой грани куба; такой решеткой обладают алюминий, никель, медь,
свинец и др.
Рис. 1.4. Элементарные ячейки кристаллических решеток:
а) кубическая объемно-центрированная;
б) кубическая гранецентрированная; в) гексагональная плотноупако-
ванная
В ячейке гексагональной решетки атомы расположены в вершинах шестиугольных оснований призмы, в центре этих оснований и внутри призмы; гексагональную решетку имеют магний, титан, цинк и др. В
реальном металле кристаллическая решетка состоит из огромного количества ячеек.
13
1.2.2. Реальное строение металлических кристаллов
Порядок в расположении атомов (упаковка) имеется не по всему объему кристалла (кристаллической решетки). В реальности кристаллы в структуре металла имеют структурные несовершенства: точечные,
линейные и поверхностные.
Точечные (нульмерные) несовершенства – это дефекты, которые в трѐх пространственных измерениях (X, Y, Z) малы, при этом их раз-
меры не превышают нескольких атомных диаметров. К точечным де-
фектам относятся: а) свободные места в узлах кристаллической решетки
(вакансии); б) атомы, сместившиеся из узлов кристаллической решетки в межузельные промежутки, – дислоцированные атомы (дефект Френкеля);
в) атомы других элементов, находящиеся как в узлах, так и в междоузлиях кристаллической решетки – примесные атомы и их комплексы. Точечные дефекты образуются в процессе кристаллизации под воздействием тепло-
вых, механических, электрических воздействий, а также при облучении нейтронами, электронами, рентгеновскими лучами. Наиболее важными точечными дефектами являются вакансии.
Известно, что атомы находятся в колебательном движении, чем выше температура, тем больше амплитуда этих колебаний. Большинство атомов металла в кристаллической решетке обладает одинаковой (средней) энер-
гией и колеблется с одинаковой амплитудой, а отдельные атомы имеют значительно превышающую среднюю энергию. Такие атомы обладают не только большей амплитудой колебаний, но и способны перемещаться из одного места расположения в другое. Как правило, наиболее легко пере-
двигаются атомы поверхностного слоя, выходя на поверхность (напри-
мер, атом 1, рис. 1 . 5,а). Участок, где находился такой атом (свободный узел), называется вакансией, которая не остается свободной. Через некоторое время в нее перемещается один из соседних атомов из бо-
лее глубокого слоя (например, атом 2, рис. 1.5,б), а покинутый им
14
узел также становится вакансией; затем перемещается, например, атом
3 (рис. 1 . 5,в) и т. д. Таким образом, вакансия перемещается в глубь кристалла. Как видно из рис. 1 . 5,г, вакансия искажает кристалличе-
скую решетку. Количество вакансий увеличивается с повышением температуры и они чаще переходят из одного узла в другой. Вакансии играют основную роль в диффузионных процессах, протекающих в металлах.
Рис. 1.5. Вакансии в кристаллической решетке
Если атом переходит не на поверхность, а внедряется в междоузлие,
образуется пара точечных дефектов (вакансия и междоузельный атом). Эту пару называют дефектом Френкеля. В ионных кристаллах одиночные ва-
кансии сами по себе возникать не могут, вследствие ограничений, вызван-
ных электронейтральностью структуры. Поэтому возникают или дефекты Френкеля, или пара вакансий (катионные и анионные), которые называют-
ся дефектами Шоттки. Различные типы точечных дефектов показаны на рис. 1.6, но их структура заметно сложнее.
15
а |
б |
в |
г д е
Рис. 1.6. Различные типы дефектов в кристаллах: а - вакансия;
б – междоузельный атом; в – небольшой дефект замещения; г – боль-
шой дефект замещения; д – дефект Френкеля; е – дефект Шоттки (пара вакансий в катионной и анионной подрешетках)
Точечные несовершенства появляются и как результат присутст-
вия атомов примесей. Атомы примесей или замещают атомы основ-
ного металла в кристалле решетки, или располагаются внутри кри-
сталлической решетки, искажая еѐ.
Линейные (одномерные) несовершенства называются дислокациями.
Они имеют малые размеры в двух измерениях и большую протяженность в третьем. Имеются различные виды дислокаций, одной из которых является краевая (линейная) дислокация.
В идеальном кристалле происходит сдвиг на одно межатомное рас-
стояние одной части кристалла относительно другой, вдоль какой-либо
16
атомной плоскости на участке ADEF (рис. 1.7,а).
Рис. 1.7. Схемы краевой дислокации:
а) образования; б) расположения атомов в плоскости, перпендикуляр-
ной линии дислокации AD
Как видно, влево сдвинулась только часть кристалла, находящаяся правее плоскости ABCD. При таком сдвиге число рядов атомов в верхней части кристалла на один больше, чем в нижней (рис. 1.7,б). Плоскость
ABCD (рис. 1.7,а) представляет собой в данном случае как бы лишнюю атомную плоскость (называемую экстраплоскостью), вставленную в верх-
нюю часть кристалла (АВ, рис. 1.7,б). Линия AD (рис. 1.7,а), перпендику-
лярная направлению сдвига, являющаяся краем экстраплоскости, называ-
ется краевой или линейной дислокацией, длина которой может достигать многих тысяч межатомных расстояний. Особым свойством дислокаций является их подвижность. Объясняется это тем, что кристаллическая ре-
шетка в зоне дислокаций упруго искажена, атомы в этой зоне смещены относительно их равновесного положения в кристаллической решетке и поэтому атомы, образующие дислокацию, стремятся переместиться в рав-
новесное положение.
Дислокации другого типа образуются при смещении частей кристалла
17
не перпендикулярно, а параллельно линии рассечения; они называются винтовыми дислокациями (рис. 1.8).
Рис. 1.8. Конфигурация винтовой дислокации
Если нарисовать контур на плоскости, перпендикулярно линии обры-
ва так, чтобы он окружал винтовую дислокацию, то этот контур никогда не замкнется, а превратится в спираль вокруг линии дислокации.
Дислокации рождаются в процессе кристаллизации, пластической деформации, термической обработки и т.д. Они присутствуют в ме-
6 |
12 |
-2 |
таллических кристаллах в огромном количестве (10 |
– 10 |
см ). |
Большое влияние на механические и многие другие свойства метал-
лов и сплавов оказывают не только плотность, но и расположение дислокаций в объѐме.
В общем случае в плоскости скольжения линия дислокации представ-
ляет собой произвольной формы пространственную линию, т.е. является смешанной дислокацией, отдельные малые участки этой кривой имеют краевую или винтовую ориентацию, но большая ее часть не перпендику-
лярна и не параллельна вектору сдвига.
Поверхностными ( д в у м е р н ы м и ) несовершенствами являются
18
границы зерен и блоков металла. Они малы только в одном измерении.
На границе между зернами атомы имеют менее правильное распо-
ложение, чем в объеме зерна. Зерна разориентированы, повернуты друг относительно друга на несколько градусов. По границам зерен скапли-
ваются дислокации и вакансии. Зерно состоит из большого числа разориен-
тированных на очень небольшие углы (десятые доли градусов) областей,
называемых субзернами или блоками (рис. 1 .9), границы которых пред-
ставляют собой дислокации, разделяющие зерно на блоки.
Рис. 1.9. Схема блочной структуры кристалла
В отличие от них объемные дефекты в атомном масштабе макроско-
пические – они имеют во всех трех измерениях относительно большие размеры, несоизмеримые с атомным диаметром. К объемным дефектам относятся поры, включения, трещины, царапины и т.п., когда говорят о несовершенствах металлических кристаллов, то чаще всего имеют в виду микроскопические дефекты.
1.2.3.Анизотропия кристаллов
Впространственном объѐме кристаллической решетки атомы рас-
положены с различной плотностью и поэтому многие свойства кри-
сталлов в различных направлениях различны. Такое свойство материи называется анизотропией.
19