zabika.ru 1 2 ... 7 8

1. КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ТЕЛА


Самая малая повторяющаяся единица структуры в кристалле называется элементарной ячейкой. Геометрия и положение атомов в пределах элементарной ячейки определяют структуру кристаллических материалов. Три длины ребер (a, b, c) и внутренние углы () используются для описания геометрии единичной ячейки. В зависимости от величины a, b, c и  определяют семь кристаллических систем координат и четырнадцать возможных элементарных ячеек (решетки Бравэ).




Система

Длины

Углы

Кубическая

a=b=c



Тетрагональная

a=bc



Моноклинная

abc



Орторомбическая

abc



Ромбоэдрическая

a=b=c



Гексагональная

a=bc




Триклинная


abc









Некоторые из атомов в пределах элементарной ячейки могут принадлежать нескольким смежным ячейкам. Поэтому, для вычисления числа атомов в элементарной ячейке мы должны рассмотреть следующие вклады для частицы согласно ее положению:
- Атомы, расположенные в центре грани, считают как 1/2;
- Атомы, расположенные в центре ребер, считают как 1/4;
- Атомы, расположенные в углах, считают как 1/8
В примитивной кубической ячейке число атомов в элементарной ячейке = 1; в объемноцентрированной кубической = 2; в гранецентрированной кубической = 4.

Коэффициент заполнения = (Объем атомов)/(Объем элементарной ячейки).
Для примитивной кубической ячейки – коэффициент заполнения = 0.52; для объемноцентрированной кубической (ОЦК) - 0.68; для гранецентрированной кубической ячейки (ГЦС)- 0.74




Для определения кристаллографических направлений (индексов направлений) по осям [uvw] в элементарной ячейке необходимо:
1. Найти проекции вектора на три оси в единицах элементарной ячейки.
A - 1,0,1;   B - 0,1/2,1;   C - 0,1,1/2;
D
- 1/2,1,0;   E - 1,1,0;   F - 1,1/2,0.
2. Привести отношение этих координат к отношению трех наименьших целых чисел.
A
- [101];   B - [012];   C - [021];
D
- [120];   E - [110];   F - [210].






Плоскость в пределах кристалла определяется индексами Миллера (кристаллографические индексы). Для определения кристаллографических индексов (hkl) плоскости необходимо:
1. Найти координаты пересечения плоскости по трем осям в единицах элементарной ячейки.
2. Определить обратные величины этих значений.
3. Привести их к наименьшему целому, кратному каждому из полученных чисел.







Существует два главных типа плоскостных (двухмерных) дефектов реальных кристаллов, которые называются дислокациями – краевая дислокация и винтовая дислокация. Дислокация - резкое изменение порядка атомов вдоль линии. Дислокации перемещаются по плоскости скольжения. Величина и направление скольжения определяются вектором Бюргерса, b. Для краевой дислокации направление скольжения перпендикулярно направлению дислокации. Для винтовой дислокации направление скольжения параллельно направлению дислокации.






При пластической деформации металла смещение атомов происходит по плоскостям (как показано на рисунке) в направлении максимальной плотности атомов. Плоскости и направления скольжения образуют системы скольжения. Если существует много систем скольжения, тогда деформирование кристалла может происходить относительно легко и, такой металл является пластичным. ОЦК кристаллические структуры имеет до 48 систем скольжения. ГЦК кристаллические структуры имеет 12 систем скольжения. Кристаллические структуры, имеющие гексагональную плотную упаковку (ГПУ), имеют только 3 системы скольжения. Соответственно, большинство металлов с ГПУ кристаллической структурой (Мг, Zn, Be) менее податливы, чем металлы с ОЦК (W, Fe, K) или ГЦК (Cu, Al, Ni) структурой.







Расстояние между атомами меняется в зависимости от кристаллографических направлений. Это определяет анизотропию механических и физических свойств кристалла. Поэтому образцы, вырезанные из монокристалла в различных направлениях, будут иметь различные значения модуля упругости. ГЦК и ОЦК металлы имеют наибольший модуль упругости в направлении [111], в то время как наименьший - в направлении [100]. Реальные материалы состоят из множества хаотично ориентированных монокристаллов, что приводит к изотропии их свойств.

Кристалл

Структура

Модуль упругости, ГПа

[100]

[111]

Real

Свинец

ГЦК

7

28

14

Алюминий

ГЦК

63

77

70

Медь

ГЦК

70

196

112

Железо

ОЦК

133

287

210




Некоторые материалы могут существовать в формах с различной кристаллической структурой при одном и том же химическом составе (полиморфизм). Это можно продемонстрировать на примере чистого железа, которое имеет объемноцентрированную кубическую (ОЦК) ячейку при комнатной температуре и гранецентрированную кубическую (ГЦК) структуру при 911 oC. Это изменение сопровождается уменьшением объема, так как структура ГЦК более плотно упакована, чем ОЦК решетка. Вторичная трансформация от ГЦК к ОЦК происходит при температуре 1392 oC.




2. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Механические свойства материалов, в основном, определяются при испытании образцов на растяжение. Растягивающая нагрузка постепенно увеличивается и, регистрируется значение нагрузки и соответствующее ей удлинение образца. Для того чтобы сравнить результаты, полученные при испытании образцов различной длины, используются понятия напряжений и деформаций.
Напряжение,  = P/A   [Н/м2=Па] Где P - сила, приложенная к образцу; A – площадь поперечного сечения образца.
Деформация,  = l/lo • 100%   [%]
где l = l - lo; l - текущая длина образца; lo - первоначальная длина;





Основные механические свойства материала могут быть определены из диаграммы напряжение-деформация, полученной при испытании на растяжение.
Для определения предела текучести материала по диаграмме напряжение-деформация необходимо:
1. Найти точку 0.002 = 0.2 % на оси деформаций
2. Нарисовать линию, параллельную участку упругого деформирования.
3. Значение напряжения, соответствующее пересечению данной линии и кривой напряжение-деформация, и есть предел текучести материала.

Предел прочности определяется как максимальное значение напряжения, достигнутое при испытании на растяжение.
Пластичность материала может быть описана следующими характеристиками:
Относительное удлинение = (lf - lo)/lo • 100%
Относительное сужение площади поперечного сечения = (Af - Ao)/Ao • 100%
где индексы o и f соответствуют начальному и конечному (после разрыва) значениям этих величин.






Мера жесткости материала определяется модулем упругости. Он определяется по начальному участку кривой напряжение-деформация в пределах линейно упругого деформирования. При упругом деформировании образец возвращается к своим первоначальной форме и размерам после разгрузки. Модуль упругости, /   [Па] Сопротивление деформации материала увеличивается с увеличением модуля упругости.




Материал

Модуль упругости,
ГПа

Плотность,
кг/м3

Алюминий

70

2700

Бериллий

310

1800

Свинец

15

11300

Сталь

210

7800

Титан

110

4500

Вольфрам

420

19300







Рассмотрим испытание, при котором материал нагружается выше предела текучести. После разгрузки напряжение снижается по линии, параллельной участку упругих деформаций на диаграмме напряжение-деформация.
При этом исчезает (восстанавливается) только упругая деформация. Предел текучести пластически деформированного материала выше, чем его начальное значение. При повторном нагружении материал деформируется упруго до достижения нового напряжения текучести. Необходимо отметить, что модуль упругости материала остается постоянным.






Твердость - способность материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого тела. Обычно испытания на твердость проводятся путем вдавливания небольшого индентора - тела определенной геометрической формы - в поверхность испытуемого материала.
Рисунок показывает схему испытания на твердость по Бринеллю. В общем случае, твердость пропорциональна пределу прочности материала, поскольку оба параметра характеризуют сопротивление материала пластическому деформированию.




3. РАЗРУШЕНИЕ

Кривая усталости или кривая S-N –число циклов, которые образец выдерживает при различных уровнях переменного напряжения или деформации до разрушения. Максимальное напряжение, минимальное напряжение или амплитуда напряжения могут быть использованы для построения данной кривой. Для оси N (число циклов) часто используется логарифмический масштаб.
Кривые усталости материалов типа высокопрочных сталей, алюминиевых сплавов или при испытании материалов в агрессивной среде не имеют горизонтального участка.
Усталостная прочность (усталостная долговечность) - максимальное напряжение, которое выдерживает материал без разрушения при повторении заданного числа циклов переменного нагружения. Эта характеристика обычно определяется по диаграмме S-N.






Тип нагружения образца (растяжение, изгиб или кручение) и уровень приложенного номинального напряжения может быть определен по структуре поверхности излома. При невысоком уровне напряжений область усталостного разрушения имеет тонкую структуру и занимает почти все сечение образца. Если же образец был подвержен высокому уровню напряжений, то зона усталости незначительна и больше зона окончательного разрушения (долома).




Область под диаграммой напряжение-деформация представляет работу, требуемую для разрушения материала. Соответственно, чем больше область, тем большую работу требуется совершить для разрушения материала. Для пластичных материалов характерны значительные пластические деформации и высокий уровень поглощения энергии до разрушения. Пластические деформации и поглощающая способность хрупких материалов относительно низкие.




Низкая температура уменьшает способность материала к пластическому деформированию. Материалы, которые являются пластичными при комнатной температуре, показывают хрупкое разрушение при низкой температуре. Исключением из этого правила являются большинство материалов с ГЦК структурой, которые остаются пластичными при очень низких температурах.

Существует узкий интервал температур, при котором трещиностойкость материала резко снижается. Это явление известно как вязко-хрупкий переход.



следующая страница >>