Неровный В.М. - Теория сварочных процессов (1043833), страница 70
Текст из файла (страница 70)
Несовершенства кристаллического строения вызывают значительные изменения термодннамических параметров металла. Большинство физических н механических процессов в металлах происходит в результате перемещения н взаимодействия дефектов кристаллической решетки. Дефекты оказывают существенное влияние на прочность, пластичность„деформациоиную способ- ность металлов. их коррозионную стойкость, склонность к хрупким Разрушениям, на технологическую прочность при сварке и многие другие механические и физические свойства металлов.
Можно выделить четыре основные вида дефектов кристаллической решетки: точечные (нульмерные), линейные (одномерные), поверхностные (двумерные) и объемные (трехмерные). К точечным дефектам (рнс. 12.3) относятся: междоузельиые атомы — дислоцированные атомы, перешедзцие в результате больших флуктуаций кинетической энергии из узлов решетки в междоузельные пространства; вакансии — незаг полненные узлы решетки. Как а точечные лефекты могуг рассматри- ваться инородные (примесные) атомы б внедрения (в междоузлнях) н замеще- ния (в узлах решатки), радиусы ато- Р 12 5 Т ф мОВ которых соОтВетстВенно меньше кристаллической Рсщс,па,. Нли больше 1жлиуса атом~в Ос~овног~ металла.
исзвиохисииый узел (иыоизсих); Прн образовании точечного дев, г — ииооодиыс атомы соотхст- фекта заметные смещения претерпестосиио вислрсиии и ззысизсизы вают лишь те атомы, которые близко расположены к дефекту. По мере удаления от него искажения решетки быстро уменьшаются.
Точечные дефекты могут взаимодействовать друг с другом. Если объединяются вакансия и междоузельиый «том, то происходит аннигиляция (взаимное уничтожение) обоих дефекгов„и атом, бьшшнй ранее междоузельным, занимает нормальное НОлОжение В решетке.
Две вакансии могут объединяться в наиболее простой комплекс дефектов — дивакансию. Процесс объединения вакансий может продолжаться до образования небольшой микропоры. Вакансии обусловлены флуктуациями кинетической энергии атомов. Их образование приводит к увеличеншо внбрационной составляющей энтропии (повышение степени неупорядоченности строения) и к уменьшению свободной энергии до минимума. В этом случае устанавливается равновесная кончснгнрания вакансий С„, значение которой зависит от рода металла н температуры: (12.5) где и — равновесное число вакансий; Ф вЂ” число атомов в кристалле; к - постоянная Больцмана; ()в— 7, С энергия активации образования 1539 вакансий (энергия, необходимая лля разрыва межатомиых связей, удерживающих атомы в узлах решетки; обеспечивается флуктуа- 11 00 цней энергии отдельных атомов). Чем слабее межатомные связи 900 (зто зависит от рода металла) и выше температура, тем выше С„„.
При медленном (квазиизсз. 500 термическом) охлаждении от температуры плавления до нормальной равновесная концентрация вакансий С, уменьшается 100 на несколько порядков (рнс. 12.4). 1О ~ 1О 1О С, Изменение Ст р п(юисходит В Ре зулътате аннигиляции Вакансий В Рнс. !2.4. Соотношение Равно- процессе их миграции; объединв- весной С,. и неравновесной нии с междоУзельными атомами, С, „ц „, „,„„„- „ выхоЛа на границы зеРен и повеРх железе в условиях, срмичссхого ность тела.
ПРИ быстРом охлажле- „(С нин (закалка, сварка и т, и.) в усло- ограничения скоростей С' з с~"~уст среди "ы самодиффузии процесс аннигнля- скоростям охлаждения, при ции вакансий замедляется. В ре- сварке ж„,,о " 10...500 'С/с в зультате при пониженных темпе- лиалазонс1540...1000'С) ратурах фиксируется неравноввсная конлентраг1ня вакансий С „, соответствующая С„прн более высоких температурах.
Дислокации представляют собой лннейныс двфеюны кристаллической решетки, приводящие к нарушениям правильного расположения атомов на расстояниях, значительно больших, чем периол решетки. Онн образуются в результате термических и механнческих воздействий на металл в процессах кристаллизации, пластического деформнрования и в других процессах.
Причиной образования лислокаций может быть также объединение вакансий. Существует два вида дислокаций: краевые и винтовые. Краевые лислокацин обра- А Ь' 0 зуются вследствие появления в кристалле недостроенной атом- 0 ной плоскости (экстраплоскот стн) из-за частичного слвита пол действием касательных напряжений одной части кристал- 3 ла по отношению к другой (рис. 12.5). Линия дислокации представляет проекцию на сеРие. 12.5. Схема краевой лисяока- рисунка) края внедренной экст- ,!дС!Эя контур БюргцВса, Раплоскости и обозначаетса знаком ).. Линия дислокации в виде ятрубки» проходит через весь кристалл. Если экстраплоскость наставлена» сверху, то дислокаццю приюпо считать положительной, если экстраплоскость квставлена» снизу — отрицательной.
Линия дислокации перпендикулярна вектору смещающего усилия„вектор скорости перемещения дислокации параллелен этому усилию. Степень искаженности кристаллической решетки определяется вектором Бюргерса Ь, модуль которого равен длине отрезка, на который одна из сторон замкнутого вокруг дислокации четырехугольника А1)С0 (контура Бюргерса) длиннее противоположной (см.
рис. 12.5). Модуль вектора Бюргерса (ЕА) исчисляется числом периодов кристаллической решетки. Плотность дислокаций У определяется числом линий дислока- 2 ции, пересекающих площадь в 1 см поперечного сечения кристалла (размерность Ж равна см ). В реальных кристаллах Ф имеет а значения 1О и 1О см в состоянии соответственно после отжнга и закалки, Винтовые дислокации образуются вследствие смещения одной части атомных рядов кристалла по отношению к другой под влиянием касательных напряжений (рнс. 12.6).
У вершины смещения образуется винтовая дислокация в результате винтового закручивания плоскостей кристаллической решетки относительно друг друга. Линия дислокации параллельна вектору смещающего усилия, вектор скорости перемещения дислокации перпендикулярен этому усилию. В реальном кристалле возможно также образование смешанной (криволинейной) дислокации, представляющей сочетание краевой и винтовой дислокаций. Ориентация смешанной дислокации по отношению к смещающему усилию имеет промежуточный характер по сравнению с ориентациями линейной и винтовой дислокаций. Она реализует плавный переход между ними. В результате образуется дислокационная петля с разным характером искажений на различных ее участках. Наибольшие геометрическоее искажение и энергетическое возмущение в кристалле сосредоточены вблизи линни дислокации.
Область кристал- Рис. !2.6. Схема винтовой дислола, непосредственно приве- калии: ! — экстраплоскость, И вЂ” В— пазы линия дислокации: АВС1ЭŠ— конгающая к дислокации„пазы- ' ' кон тур Бюргерса; — вектор ргервается дром дислокации (рис. 12.7, а). В этой области смещения атомов и напряжения, возникающие в металле вследствие дислокации, не подчиняются закону рука.
На рис. 12.7, б показано распределение нормальных напряжений в окрестностях краевой дислокации. Закономериосп распределения напряжений от дислокации за пределами ядра ралиусом го, приблизительно равным двум периодам кристаллической решетки, имеет гиперболический характер. Напряжения в зоне (х = О, г > г0), удаленной от ядра, можно вычислить по следующей формуле: 6Ь 2я(! — р)г (! 2.б) где 6 — модуль сдвига; Ь вЂ” вектор Бюргерса; р — коэффициент Пу- ассона; г- расстояние от ядра дислокации. Рис.
12.7. Распределение п окрестностях краевой дислокации (а) ппрмааьных напряжений (б): 1 — экктппплоккпсть; 2 — пппскпсзь скальпе@ил; У - капп лпкппккппп ркппукпм г~, 4 — лп@пк дпсппккппп Поскольку дислокации образуются в основном в результате внешних энергетических воздействий на металл, то это приводит к увеличению как внутренней, так и свободной энергии металла. Таким образом, металл при наличии в нем дислокаций находится в нестабильном термодинамнческом состоянии.
Потенциальная энергия И' краевой дислокации длиной А может быль рассчитана по формуле 6ЬЕ г й'= 1п —, (12.7) 4я(1 — )ь) го где г —. расстояние от ядра дислокации, на котором напряжения о, снижаются до значения, приблизительно равнопэ 0,05о „,„. Одним из главных свойств дислокаций является их высокая подвижность в кристаллической решетке металла под действием относительно невысоких смещающих усилий. Существует два способа перемещения дислокаций: — скольжением, т.
е. перемещением линии дислокации по плоскости сдвига, а в случае краевой дислокации — смещением края экстраплоскости (характерно для процесса пластического доформирования); — переползанием, т. е. изменением формы и размера линни дислокации в результате подхода к краю экстраплоскости вакансий илн дислоцированных атомов, а в случае краевой дислокации — удлинением или укорочением и искривлением эксзраплоскости с появлением на ней ступенек (характерно для высокотемпературной ползу- чести). 568 Подвижность дислокаций объясняется тем, что прн их движении последовательно преодолевается сопротивление межатомных сил связи только в зоне дислокации. Поэтому напряжение текуче-з сти реальных металлов т, составляет 10 ...!О от теоретического значениЯ т („и 1, котоРое Рассчнтываетса с Учетом пРеодолениЯ межатомных сил связи по всей плоскости сдвига.
В процессе движения дислокаций и взаимодействия между собой н различными препятствиями на пути их движения происходит размножение (генерирование) дислокаций. Так„пластическая деформация (наклеп) металла увеличивают плотность дислокаций на несколько порядков, К поверхностным дефектам кристаллического строения относятся искажения кристаллической решетки у поверхности металла, границы зерен, блоков, структурных составляющих. Объемные дефекты кристаллов представляют собой микроскопические поры, трещины, инородные включения.
12З.2, Процессы взаимодействий дислокаций в кристаллической решетке При перемещении дислокаций в кристаллической резпетке происходит их взаимодействие дру* с другам, обусловленное взаимодействием полей их напряжений. Дислокации одинакового знака, движущиеся в одной илн параллельных плоскостях, отталкиваются, а дислокации разных знаков притягиваются, что при определенных условиях приводит к их аннигиляции. При встрече дислокаций, движущихся в пересекающихся плоскостях, возможно закрепление дислокаций в точке пересечения траекторий их движения и как следствие — остановка дислокаций, а при высокой плотности дислокаций в точке пересечения может произойти нх суммирование (возникновение гипердислокацни) и даже образование субмикротрещины. Перемещение дислокаций в кристаллической решетке может сопровождаться размножением дислокаций.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
