Анизотропия механических свойств металлов

Обновлено: 16.05.2024

Свойства материалов зависят от природы атомов, из которых они состоят, и силы взаимодействия между ними. Аморфные ма­териалы характеризуются хаотическим расположением атомов. Поэтому свойства их в разных направлениях одинаковы, другими словами, аморфные материалы изотропны.

В кристаллических материалах расстояния между атомами в раз­ных кристаллографических направлениях различны. Например, в ОЦК решетке в кристаллографической плоскости, проходящей че­рез грань куба, находится всего один атом, так как четыре атома в вершинах одновременно принадлежат четырем соседним элемен­тарным ячейкам: (1/4) • 4 = 1. В то же время в плоскости, проходящей через диагональ куба, будут находиться два атома: 1 + (1/4) -4 = 2. Из-за неодинаковой плотности атомов в разных направлениях кри­сталла наблюдаются разные свойства. Различие свойств в кристалле в зависимости от направления испытания называется анизотропией.

Разница в физико-химических и механических свойствах в раз­ных направлениях может быть весьма существенной. При измере­нии в двух взаимно-перпендикулярных направлениях кристалла цинка значения температурного коэффициента линейного расши­рения (ТКЛР) различаются в 3 — 4 раза, а прочности кристалла железа — более чем в 2 раза.

Анизотропия свойств характерна для одиночных кристаллов, или так называемых монокристаллов. Большинство же технических литых металлов, затвердевших в обычных условиях, имеют поли­кристаллическое строение. Такие металлы состоят из большого числа кристаллов или зерен (рис. 2.3, а). При этом каждое отдельное зер­но анизотропно. Различная ориентация отдельных зерен приводит к тому, что в целом свойства поликристаллического металла явля­ются усредненными.

Поликристаллическое тело характеризуется квазиизотропно­стью — кажущейся независимостью свойств от направления испы­тания.

Квазиизотропность сохраняется в литом состоянии. При об­работке давлением (прокатка, ковка), особенно если она ведется без нагрева, большинство зерен металла приобретает примерно оди­наковую ориентировку — так называемую текстуру (рис. 2.3, б), после чего металл становится анизотропным. Свойства деформи­рованного металла вдоль и поперек направления главной дефор­мации могут существенно различаться. Анизотропия может приво­дить к дефектам металла (расслой, волнистость листа). Анизотро­пию необходимо учитывать при конструировании и разработке технологии получения деталей.

Рис. 2.3. Ориентация кристаллических решеток в зернах литого металла (а) и после обработки давлением (б)

1.5. Идеальное и реальное строение металлических материалов

Общие сведения. Идеальная кристаллическая решетка представ­ляет собой многократное повторение элементарных кристалличес­ких ячеек. Для реального металла характерно наличие большого количества дефектов строения, нарушающих периодичность рас­положения атомов в кристаллической решетке, что оказывает су­щественное влияние на свойства материала.

Различают три типа дефектов кристаллического строения: то­чечные, линейные и поверхностные.

Точечные дефекты. Такие дефекты (рис 2.4) характеризуются малыми размерами во всех трех измерениях. Величина их не пре­вышает нескольких атомных диаметров. К точечным дефектам от­носятся свободные места в узлах кристаллической решетки — ва­кансии (рис. 2,4, а); атомы, сместившиеся из узлов кристалли­ческой решетки в межузельные промежутки, — дислоцированные атомы (рис. 2.4, б); атомы других элементов, находящиеся как в узлах, так и в междоузлиях кристаллической решетки, — примес­ные атомы (рис. 2.4, в). Точечные дефекты и дислоци­рованных атомов могут располагаться обособленно или образовы­вать цепочки. Точечные дефекты образуются в процессе кристал­лизации под воздействием тепловых, механических, электричес­ких воздействий, а также при облучении нейтронами, электрона­ми, рентгеновскими лучами. Вакансии и дислоцированные атомы могут появляться вследствие теплового движения атомов. В харак­терных для металлов решетках энергия образования дислоциро­ванных атомов значительно больше энергии образования тепло­вых вакансий. Поэтому основными точечными дефектами в метал­лах являются тепловые вакансии.| Точечные дефекты не закреплены в определенных объемах металла, они непрерывно перемещаются в кристаллической решетке в результате диффузии.

Рис. 2.4. Точечные дефекты в кристаллической решетке: а — вакансия; б — дислоцированный атом; в — примесный атом внедрения.

Косвенным доказательством образования вакансий в кристал­лической решетке может служить простой эксперимент с нагре­вом двух одинаковых образцов алюминия до температуры, на не­сколько градусов меньшей его температуры плавления. Если ох­лаждение этих образцов провести с разной скоростью, при ком­натной температуре объем быстро охлажденного (закаленного) образца будет на 0,2 % больше, чем объем медленно охлажденного (отожженного) образца. Объясняется это тем, что при температу­ре, близкой к температуре плавления, благодаря диффузии части атомов к поверхности в металле образуется большое число вакан­сий. В случае медленного охлаждения большинство атомов успева­ет вернуться в исходное положение. При быстром охлаждении эти вакансии не успевают вернуться в исходное состояние и остаются в структуре закаленного образца. Если же закаленный образец вновь нагреть и медленно охладить, разница между объемами образцов исчезнет.

Присутствие вакансий объясняет возможность диффузии — пе­ремещения атомов на расстояния, превышающие средние межа­томные расстояния для данного металла. Перемещение атомов осу­ществляется путем обмена местами с вакансиями.

Линейные дефекты. Такие дефекты характеризуются малыми размерами в двух измерениях, но имеют значительную протяжен­ность в третьем измерении. Наиболее важный вид линейных де­фектов — дислокации.

Теория дислокаций позволила объяснить природу прочности и пластичности металлов. Ее использование дало возможность объяс­нить огромную разницу между теоретической и практической проч­ностью металлов.

На рис. 2.5 приведена схема участка кристаллической решетки с одной лишней атомной полуплоскостью, т.е. краевой дислокацией. Линейная атомная полуплоскость PQQ'P' называется экстраплоско­стью, а нижний край экстраплоскости QQ' — линией дислокации. Помимо краевых дислокаций в кристаллах могут образовывать­ся винтовые дислокации. Винтовые дислокации могут быть полу­чены частичным сдвигом атомных слоев по плоскости, который нарушает параллельность атомных слоев.

Вблизи линии дислокации атомы смещены со своих мест - кри­сталлическая решетка искажена, что вызывает образование поля напряжений: выше линии дислокации решетка сжата, а ниже ра­стянута. Дислокации образуются уже при кристаллизации метал­лов, а также в ходе пластической деформации и фазовых превращений. Плотность дислокаций может достигать большой величины.

Рис. 2.5. Краевая дислокация

Экстраплоскость

Использование теории дислокаций позволило объяснить боль­шое расхождение между теоретической и фактической прочностью металлов. Теоретическая прочность должна быть пропорциональна произведению сил межатомной связи на число атомов в сечении кристалла.

Расчетное усилие для смещения одной части кристалла относи­тельно другой оказалось на 2 — 3 порядка выше фактически затра­чиваемого при пластической деформации металла. Так, теорети­ческая прочность железа составляет примерно 13 ООО МПа, а фак­тическая — 250 МПа. Такое расхождение теоретической и факти­ческой прочности объясняется тем, что деформация происходит не вследствие одновременного смещения целых атомных плоско­стей, а вследствие постепенного перемещения дислокаций.

Дислокации легко перемещаются в направлении, перпендику­лярном экстраплоскости. Чем легче перемещаются дислокации, тем ниже прочность металла, тем легче идет пластическая деформация.

Таким образом, причиной низкой прочности реальных метал­лов является наличие в структуре материала дислокаций и других несовершенств кристаллического строения. Получение бездислокационных кристаллов приводит к резкому повышению прочности материалов (рис.2.8.). Левая ветвь кривой (штриховая линия) соответствует созданию совершенных бездислокационных нитевидных кристаллов (так называемых усов), прочность которых близка к теоретической. С повышением плотности дислокаций их движение становится все более затрудненным, требуется увеличение прилагаемой нагрузки для продолжения деформации. В результате металл упрочняется, что соответствует правой ветви кривой (сплошная линия) на рис.2.8.

На практике препятствие движению дислокаций, т.е. упрочнение создается введением других элементов (легированием), наклепом, термической или термомеханической обработкой. Снижение температуры также препятствует свободному перемещению дислокаций. При низких температурах прочность растет. А пластичность падает. Металл становится более прочным, но хрупким.

Таким образом, повышение прочности металлов и сплавов может быть достигнуто двумя путями: получение металлов с более близким к идеальному строением кристаллической решетки, т.е. металлов, в которых отсутствуют дефекты кристаллического строения или же их число крайне мало, либо наоборот увеличением числа структурных несовершенств, препятствующих движению дислокаций.

Поверхностные дефекты. Такие дефекты имеют малую толщину и значительные размеры в двух других измерениях. Обычно это места стыка двух ориентированных участков кристаллической ре­шетки. Ими могут быть границы зерен, границы фрагментов внут­ри зерна, границы блоков внутри фрагментов. Соседние зерна по своему кристаллическому строению имеют неодинаковую простран­ственную ориентацию решеток. Блоки повернуты относительно друг друга на угол от нескольких секунд до нескольких минут, их раз­мер 10 -5 см. Фрагменты имеют угол разориентировки θ не более 5°. Если угловая разориентировка решеток соседних зерен меньше 5°, такие границы называют малоугловыми границами (рис. 2.9). Все субзеренные границы (границы фрагментов и блоков) — малоуг­ловые. Строение границ зерен оказывает большое влияние на свой­ства металла.

Граница между зернами представляет собой узкую переходную зону шириной 5—10 атомных расстояний с наружным порядком расположения атомов. В граничной зоне кристаллическая решетка одного зерна переходит в решетку другого (рис. 2.10). Неупорядо­ченное строение переходного слоя усугубляется скоплением в этой зоне дислокаций и повышенной концентрацией примесей.

Вследствие того что границы зерен препятствуют перемеще­нию дислокаций и являются местом повышенной концентрации примесей, они оказывают существенное влияние на механические свойства металла.

Под размером зерна принято понимать величину его среднего диаметра, выявляемого в поперечном сечении.

Чем мельче зерно, тем выше предел текучести и прочность металла. Одновременно при измель­чении зерна увеличиваются пластичность и вязкость металла. Пос­леднее особенно важно для металлических изделий, работающих при низких температурах. Повышенная пластичность и вязкость обусловлены более однородным составом и строением мелкозер­нистого металла, отсутствием в нем крупных скоплений, струк­турных несовершенств, способствующих образованию трещин.

Помимо перечисленных дефектов в металле имеются макроде­фекты объемного характера: поры, газовые пузыри, неметалли­ческие включения, микротрещины и т.д. которые снижают проч­ность металла.

1.6. Кристаллизация металлов

Общая характеристика процесса. Еще Д.К.Черновым было ус­тановлено, что процесс кристаллизации состоит из двух элемен­тарных процессов: зарождения центров кристаллизации и роста кристаллов из этих центров.

При температурах, близких к температуре затвердевания, в жидком металле образуются небольшие группировки атомов, так называемые флуктуации, в которых атомы упакованы так же, как в твердых кристаллах. Из части этих флуктуации образуются заро­дыши, или центры кристаллизации. С увеличением степени пере­охлаждения возрастает число центров кристаллизации, образую­щихся в единицу времени. Вокруг образовавшихся центров крис­таллизации начинают расти кристаллы. Одновременно в жидкой фазе образуются новые центры кристаллизации. Увеличение об­щей массы затвердевшего металла происходит как за счет возник­новения новых центров кристаллизации, так и за счет роста суще­ствующих. Схема последовательных этапов процесса затвердевания приведена на рис .2.12

Взаимным ростом кристаллов объясняется неправильная фор­ма зерен. Реальные твердые кристаллы .неправильной формы на­зываются кристаллитами.

Суммарная скорость кристаллизации зависит от хода обоих эле­ментарных процессов и определяется скоростью зарождения (СЗ) центров кристаллизации и скоростью роста (CP) кристаллов из этих центров (рис. 2.13). Величины СЗ и CP зависят от степени переохлаждения ∆T. При равновесной температуре ∆Т= 0; СЗ = 0; CP = 0. С увеличением ∆T растет разность свободных энергий ∆F= Т_ж - F_TB, где F_M, F_TB — свободная энергия жидкого и твердого металла соответственно, и при хорошей подвижности атомов СЗ и CP увеличиваются и достигают максимума. Последующее умень­шение СЗ и CP объясняется снижением подвижности атомов при снижении температуры. При малых значениях коэффициента диф­фузии затруднена перестройка атомов жидкости в кристалличес­кую решетку твердого тела. При очень сильном переохлаждении СЗ
и CP равны нулю, жидкость не кристаллизуется, а превращает­ся в аморфное тело.

Для реальных металлов, как правило, реализуются лишь вос­ходящие ветви кривых СЗ и CP, и с ростом степени переохлаж­дения увеличиваются скорости обоих процессов.

От соотношения СЗ и CP зависит размер зерен. При малом пе­реохлаждении, например при заливке металла в земляную форму с малой теплопроводностью или подогретую металлическую фор­му, CP велика, СЗ мала. В этом случае в объеме образуется неболь­шое количество крупных кристаллов. При увеличении ∆Т в случае заливки жидкого металла в холодные металлические формы СЗ возрастает, что приводит к образованию большого количества мел­ких кристаллов.

СЗ; CP

То Степень переохлаждения —► Температура

Рис. 2.13. Влияние степени переох­лаждения А Г на скорость зарожде­ния (СЗ) и скорость роста (CP) кристаллов: Г0 — равновесная температура

Размер зерна определяется не только степенью переохлажде­ния. Важную роль играют температура нагрева и разливки металла, его химический состав и особенно присутствие посторонних при­месей. В реальных условиях самопроизвольное зарождение крис­таллов в жидком металле затруднено. Источником образования за­родышей служат различные твердые частицы: неметаллические включения, оксиды, продукты раскисления. Чем больше примесей, тем больше центров кристаллизации, тем мельче зерна. Иногда в металл специально вводят вещества, кото­рые при кристаллизации способствуют измельчению зерна. Эту опе­рацию называют модифицированием. При введении в магниевые сплавы магнезита зерно уменьшается более чем в 10 раз: от 0,2. 0,3 мм до 0,01. 0,02 мм. Для стали модификаторами являются: алюминий, ванадий, титан, для чугуна — магний.

1.7. Дендритная кристаллизация

При кристаллизации реальных слитков и отливок важную роль играет направление отвода теплоты. Кристаллизация начинается от стенок формы или изложницы. В направлении отвода теплоты, т.е. перпендикулярно стенке формы, кристалл растет быстрее, чем в других направлениях. При этом образуются оси первого поряд­ка. Одновременно на их ребрах происходит зарождение и рост перпендикулярных им осей вто­рого порядка, затем третьего по­рядка и т.д. В результате образу­ется разветвленный древовид­ный кристалл, называемый ден­дритом (рис .2.14) .

Так как при затвердевании имеет место так называемая из­бирательная кристаллизация, т. е. в первую очередь затвердевает более чистый металл, границы зерен более обогащены приме­сями. Неоднородность химичес­кого состава в пределах дендри­та называется дендритной ликва­цией. В большей степени, чем другие элементы, ликвации под­вержены углерод, сера, фосфор.

Анизотропия механических свойств и кристаллографическая текстура гексагональных плотноупакованных металлов Текст научной статьи по специальности «Физика»

АНИЗОТРОПИЯ / ТЕКСТУРА / ПАРАМЕТРЫ / КОЭФФИЦИЕНТ АНИЗОТРОПИИ / ОБРАТНАЯ ПОЛЮСНАЯ ФИГУРА / ВЫТЯЖКА / ЛИСТ / ANISOTROPY / GRAIN TEXTURE / PARAMETERS / ANISOTROPY COEFFICIENT / REVERSE POLE FIGURE / DRAWING / SHEET

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Яковлев С. С., Кухарь В. Д.

Показано влияние кристаллографической текстуры на коэффициент нормальной пластической анизотропии гексагональных плотноупакованных металлов.

Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — Яковлев С. С., Кухарь В. Д.

Связь характеристик анизотропии с кристаллографической текстурой гексагональных плотноупакованных металлов

ВЛИЯНИЕ КОМБИНАЦИИ ПРЯМОЙ И ПОПЕРЕЧНОЙ ПРОКАТОК НА ТЕКСТУРУ И АНИЗОТРОПИЮ СВОЙСТВ ЛИСТОВ α ТИТАНОВОГО СПЛАВА TI-3AL-1,5V

ANISOTROPY OF MECHANICAL PROPERTIES AND CRYSTALLOGRAPHIC GRAIN TEXTURE OF HEXAGONAL DENSE-PACKED MATERIALS

The influence of the crystallographic grain on the normal plastic anisotropy coefficient of hexagonal dense-packed materials is shown.

Текст научной работы на тему «Анизотропия механических свойств и кристаллографическая текстура гексагональных плотноупакованных металлов»

УДК 539.374; 621.983

АНИЗОТРОПИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И КРИСТАЛЛОГРАФИЧЕСКАЯ ТЕКСТУРА ГЕКСАГОНАЛЬНЫХ ПЛОТНОУПАКОВАННЫХ МЕТАЛЛОВ

Ключевые слова: анизотропия, текстура, параметры, коэффициент анизотропии, обратная полюсная фигура, вытяжка, лист.

Способность листовых материалов к глубокой вытяжке характеризуется коэффициентом нормальной пластической анизотропии [1, 2].

При этом удовлетворительная штампуемость достигается при Я = Яср > 1, где Яср получают усреднением значений коэффициента нормальной пластической анизотропии, полученных при испытаниях в различных направлениях (обычно под углами 0, 45 и 90° к направлению прокатки).

Как показывает анализ экспериментальных данных для сплавов титана (табл. 1), величина Яср в значительной мере определяется характеристиками кристаллографической текстуры. Создание в листах титановых сплавов текстуры с малыми углами наклона базисных плоскостей к поверхности листа приводит к Яср > 1, тогда как появление ориентировок с

большими значениями этих углов снижает коэффициент нормальной пластической анизотропии до величин, меньших единицы (табл. 1). Увеличение Яср путем создания в материале «идеальной» базисной или близкой к

ней текстуры отмечается и в работе [3].

Известные корреляционные соотношения между ЯСр и текстурой,

как правило, учитывают интенсивность основных ориентировок текстуры [3]. В то же время экспериментально установлено, что изменение интенсивности и рассеяние основных, а также появление дополнительных побочных ориентировок влияют на величину коэффициента нормальной пластической анизотропии. Целью данной работы является установление такой связи ЯСр с текстурой, которая учитывала бы не только интенсивность, но и рассеяние отдельных ориентировок.

Степень анизотропии свойств ГПУ-металлов определяется пространственным распределением гексагональной оси [3].

Связь коэффициента нормальной пластической анизотропии с кристаллографической текстурой в некоторых сплавах титана

Сплав Основные ориентировки Rср

ВТ6с (0001)±20° НН-НП [ 10Т0 1 3,8

ВТ6с (0001)±20° НН-НП [ 1010 1 (0001)±60° НН-ПН [ 1010 1 0,99

ВТ6с (0001)±20°-30° НН-НП [ 1010 1 (0001)±50°-60° НН-ПН [ 1010 1 0,55

ПТ-3В (0001)±20° НН-НП [ 1010 1 (0001)[ 1010 1 2,8

Технический титан (0001)±40°-45° НН-ПН [ 1010 1 0,97

Технический титан (0001)±30° НН-ПН [ 1010 1 2,3

ВТ5-1 (0001)[ 1010 1 5,1

Для любой случайной ориентации оси «с» в поликристалле выпол-

няется соотношение cos а + cos р + cos у = 1, где а, р и у - углы между осью «с» и направлением прокатки (НП), поперечным направлением (ПН) и направлением нормали к плоскости листа (НН) соответственно (рис. 1). Очевидно, что в случае равновероятного распределения оси «с» в пространстве (бестекстурное состояние, для которого R = 1)

Рис. 1. Ориентации оси «с» в поликристалле

Угловыми скобками отмечены средние значения указанных величин. Наличие текстуры нарушает это равенство. Учитывая монотонный характер изменения коэффициента нормальной пластической анизотропии

в зависимости от угла наклона базисных плоскостей к поверхности листа и экспериментально наблюдаемое увеличение Rcp при уменьшении угла у,

можно сделать вывод, что случаю Rср > 1 должно соответствовать < cos у>> 1/3.

Таким образом, качественная оценка пригодности материала к обработке, связанной с глубокой вытяжкой, может проводиться по средним значениям косинуса угла между гексагональной осью и НН. Наиболее удобным методом представления текстуры в данном случае является обратная полюсная фигура (ОПФ).

Для ГПУ-металлов ОПФ позволяет получить информацию о полюсной плотности 17 ориентировок, что представляется достаточным для аппроксимации непрерывного пространственного распределения оси «с».

Для определения величины < cos2 у >сначала вычисляются объемные доли ориентировок, представленных на ОПФ, снятой с направления нормали к плоскости листа

fhkl = Ahkl • phkl,

где Phkl - полюсная плотность ориентировки ; Ahkl - нормировочный

Искомая величина находится по формуле

< cos y>=Z fhkl ■cos Yhkl.

Как уже говорилось, увеличению этого параметра должно соответствовать повышение коэффициента нормальной пластической анизотропии, что хорошо согласуется с приведенными в табл. 1 экспериментальными данными.

Для установления более строгой аналитической связи коэффициента нормальной пластической анизотропии с параметрами текстуры воспользуемся известной зависимостью, полученной в работе [11:

• 2 2 sin ф cos ф

Здесь ф - угол между направлением испытания и НП; Н, О, ^ и N - коэффициенты Хилла, характеризующие состояние поликристалличе-ского материала ортотропной симметрии.

Отношения коэффициентов Хилла, необходимые для расчета Я, представим как функции от текстурных параметров и величин, характеризующих анизотропию монокристалла:

Н 1 + (1 - 2Д1)(А -1) + (А4 + Д5 - А2)(1 - 4) ,

F 1 + (2Д1 + 2А3 -1)(А2 -1) + (А2 + А4 - А5)(1 - A1)

G = 1 + (1 -2А3)(А2 -1) + (А2-А4 + Д5)(1 -4) .

F 1 + (2А1 + 2А3 -1)(А2 -1) + (А2 + А4 - А5)(1 - А1);

H = 3 + (2 - 3А1)(А2 -1) + (3 - 6А1 + 2А2 - 2А4 - 2А5)(1 - А1)

F ~ 1 + (2А1 + 2А3 - 1)(А2 -1) + (А2 + А4 - А5)(1 - А1)

Здесь Аг- - текстурные параметры, вычисляемые по формулам

А1 и А2 - безразмерные материальные константы, характеризующие степень анизотропии монокристалла в отношении механических свойств. Для изотропного кристалла А1 = А2 = 1. Отметим, что параметры анизотропии монокристалла указывают не только степень, но и характер анизотропии механических свойств. Если пластическая деформация в монокристалле происходит лишь путем скольжения в направлении , то А1 - А2 = 1. Изменение механизма деформации, связанное с влиянием различных факторов, например, температуры испытания или степени легирования, будет сопровождаться изменением этих параметров. Значения А1 и А2 могут быть определены, в частности, по результатам испытаний на растяжение различно ориентированных монокристаллов.

Подставив (2) в выражение (1), получим связь коэффициента нормальной пластической анизотропии с текстурными параметрами материала и параметрами анизотропии монокристалла

1 + (1 - 2А1)(А2 -1) + - --А1 - 8 А2 + 2А4 + 2А5 (1 - АО +

1 + А1(А2 -1) + А2(1 - А1) + (1 - А1 - 2А3)(А2 -1) +

+ (А— - А4)(1 - Al)cos2ф

При оценке пригодности листового материала к глубокой вытяжке достаточную информацию дает среднее значение коэффициента нормаль-

ной пластической анизотропии, которое может быть получено усреднением выражения Я(ф). Но для такого определения Яср требуется знание всех

текстурных параметров, а, следовательно, и съемка ОПФ с трех направлений (НН, ПН, НП), либо полной прямой полюсной фигуры с информацией о ее периферийной зоне, что представляет определенные трудности при подготовке образцов, особенно в случае исследования тонких листов.

Однако можно существенно упростить расчет Яср, если провести

усреднение текстурных параметров по углу ф (т. е. реальной текстуре листового материала поставить в соответствие аксиальную текстуру, получающуюся из исходной вращением вокруг нормали к плоскости листа). Очевидно, что такой подход возможен для любых материалов с ГПУ-структурой, подвергнутых различным видам обработки, которые приводят к формированию однородных текстур по толщине образца. Учитывая, что для осесимметричной текстуры Аз = 1/2(1 -Д^), Д4 = Д5 = 3/8 (1 - 2Ді + Д2) (что следует из условия равновероятного распределения оси «с» вокруг направления нормали к плоскости листа), получим

1 + (1 -2Ді)(А2 -1) -1 (6Ді + Д2 -3)(1 - Аі)

ср 1 + Д1(А2 -1) + Д 2(1 - А1)

Как видно, в этом случае количество текстурных параметров существенно сокращается. Необходимые для расчета Яср параметры текстуры

можно получить по изложенной выше методике с помощью ОПФ, снятой с направления нормали к плоскости листа. Формула (3) отражает основные особенности зависимости Яср от характера текстурированности материала: монотонное изменение этой величины с ростом интегральных характеристик текстуры; обращение Яср в единицу при всех ориентациях изотропного монокристалла (А1 = А2 = 1); обращение Яср в ноль и бесконечность при значениях Д1 и Д2, отвечающих предельным текстурам призматического и базисного типа. Последнее реализуется при моделировании процесса деформации только скольжением в направлении . Из полученного соотношения также видно, что Яср равно 1 и в

случае бестекстурного состояния, когда Д1 = 1 /3; Д2 = 1 /5.

В качестве проверки предложенной методики вычисления коэффициента нормальной пластической анизотропии по данным о текстуре и

свойствах зерен было проведено сравнение рассчитанных и полученных экспериментально значений Яср. Объектом исследования были выбраны

листы титанового сплава ПТ-3Вкт с отличающимися между собой текстурными состояниями. Информация о текстуре представлена в табл. 2. Экспериментальные значения Я определяли согласно методике, описанной в работах [1, 2]. Одноосному растяжению подвергались плоские стандартные образцы, вырезанные под углом 0, 45 и 90 ° по отношению к направлению прокатки по шесть штук каждого вида, в соответствии с ГОСТ 11701-84 (при ^о < 4 мм) и ГОСТ 1497-84 (при ^ >4 мм).

Текстурные параметры листов сплава ПТ-3Вкт

№ листа Аі А 2 А3 А 4 А5

1 0,449 0,319 0,362 0,237 0,081

2 0,519 0,376 0,339 0,222 0,049

3 0,595 0,430 0,224 0,103 0,075

4 0,730 0,585 0,118 0,042 0,053

Ввиду трудности выращивания монокристаллов сплавов титана значения материальных констант 4 и ^2 были получены с применением выражения Я(ф) и экспериментальных значений коэффициента нормальной пластической анизотропии, полученных на образцах, вырезанных под углами 0 и 90° к НП (табл. 3). Как видно из табл. 3, наблюдается удовлетворительное соответствие между экспериментальными и рассчитанными значениями. Причем, как и следовало ожидать, рост параметров Д1 и А 2 сопровождается увеличением Яср.

Сравнение экспериментальных и расчетных значений коэффициента нормальной пластической анизотропии листов сплава ПТ-3Вкт

№ листа Я0 К90 Кср

Эксп. Расч. Эксп. Расч. Эксп. Расч.

1 1,2 1,21 2,0 2,04 1,60 1,5

2 1,2 1,40 2,2 2,80 1,70 1,9

3 2,1 2,27 2,5 2,60 2,30 2,4

4 4,1 - 3,9 - 4,15 4,08

Таким образом, величины коэффициентов анизотропии Я(ф) могут

быть определены как по данным о текстуре и свойствах зерен исследуемого материала, так и по методике, описанной в работе [1].

Научно-исследовательская работа выполнена в ТулГУ и на ЗАО «ЗЭМ РКК «Энергия» им. С.П. Королева».

1. Способность листовых материалов к глубокой вытяжке может быть оценена по средним значениям косинуса угла между гексагональной осью и направлением нормали к плоскости листа.

2. Полученное выражение R^) позволяет учесть влияние текстуры на величину коэффициента нормальной пластической анизотропии, при этом введенные текстурные параметры Д7- (i = 1. 5) достаточно полно

описывают пространственное распределение зерен в поликристалле.

3. Для определения среднего значения коэффициента нормальной пластической анизотропии по данным о текстуре достаточную информацию можно получить из одной ОПФ, снятой с направления нормали к плоскости листа.

Работа выполнена по ведомственной целевой программе «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)», грантам РФФИ и по государственному контракту в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.

1. Яковлев С.П., Яковлев С.С., Андрейченко В.А. Обработка давлением анизотропных материалов. Кишинев: Квант, 1997. 331 с.

2. Яковлев С.П., Кухарь В.Д. Штамповка анизотропных заготовок. М.: Машиностроение, 1986. 136 с.

3. Адамеску Р.А., Гельд П.В., Митюшков Е.А. Анизотропия физических свойств металлов. М.: Металлургия, 1985. 136 с.

S.S. Yakovlev, V.D. Kuhar

ANISOTROPY OF MECHANICAL PROPERTIES AND CRYSTALLOGRAPHIC GRAIN TEXTURE OF HEXAGONAL DENSE-PACKED MATERIALS

Key words: anisotropy, grain texture, parameters, anisotropy coefficient, reverse pole figure, drawing, sheet.

Влияние анизотропии свойств на изменение физических и механических свойств поверхности металла Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Ларина Татьяна Вячеславовна, Кутенкова Елена Юрьевна, Минин Олег Владиленович, Минин Игорь Владиленович

В статье рассмотрено влияние анизотропии свойств на изменение физических и механических свойств поверхности металла.

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Ларина Татьяна Вячеславовна, Кутенкова Елена Юрьевна, Минин Олег Владиленович, Минин Игорь Владиленович

Возможность определения изменений физических и механических свойств поверхности металла оптическими методами

THE INFLUENCE OF ANISOTROPY OF PROPERTIES ON THE CHANGES IN THE PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF THE METAL SURFACE

The article considers the influence of the anisotropy of the properties to modify the physical and mechanical properties of the metal surface.

Текст научной работы на тему «Влияние анизотропии свойств на изменение физических и механических свойств поверхности металла»

ВЛИЯНИЕ АНИЗОТРОПИИ СВОЙСТВ НА ИЗМЕНЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛА

Татьяна Вячеславовна Ларина

Елена Юрьевна Кутенкова

Олег Владиленович Минин

Игорь Владиленович Минин

Ключевые слова: анизотропия свойств, монокристаллы, поликристаллы, свойства металлов.

THE INFLUENCE OF ANISOTROPY OF PROPERTIES ON THE CHANGES IN THE PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF THE METAL SURFACE

Tatiana V. Larina

Elena Yu. Kutenkova

Key words: anisotropy of properties, single crystals, polycrystalline metals properties.

Анизотропия - это зависимость свойств кристалла от направления, возникающая в результате упорядоченного расположения атомов (ионов, молекул) в пространстве[1]. Свойства кристаллов определяются взаимодействием атомов. В кристалле расстояния между атомами в различных кристаллических направлениях различны, а поэтому различны и свойства.

Анизотропия свойств проявляется у монокристаллов, полученных, например, при очень медленном контролируемом отводе тепла при кристаллизации. Монокристаллы представляют собой один кристалл, атомы которого расположены в геометрически правильном порядке в узлах кристаллической решетки.

Поликристаллы - технические металлы и сплавы, полученные в обычных

условиях, состоят из большого количества кристаллов (обычно 10- . 10- см). Каждое зерно имеет свою ориентировку кристаллической решетки, отличную от ориентировки соседних зерен, вследствие чего свойства реальных металлов усредняются, и явления анизотропии не наблюдается. Но если ориентировка зерен будет одинакова, то свойства такого поликристаллического материала будут анизотропными.

Разница в физико-химических и механических свойствах в разных направлениях у монокристаллов может быть весьма существенной. При измерении в двух взаимно перпендикулярных направлениях кристалла цинка значения температурного коэффициента линейного расширения различаются в 3-4 раза, а прочности кристалла железа — более чем в два раза.А прочность и пластичность монокристаллов меди изменяются в зависимости от направления (ав = 350.180 МПа; 5 = 10.50 %). Для поликристаллической меди ав = 25 МПа; 5 = 40 %.

Модуль упругости, прочность и деформация напряжения у монокристаллов меди различны по осям кристалла [100], [110] и [111] соответственно равны 6800, 12000 и 18000 кПа / мм2 [2].

Созданы новые материалы на основе монокристаллов, у которых отсутствуют границы зерен и они обладают более высокой степенью однородности 5.Единичные элементы монокристаллов имеют одинаковую ориентацию по отношению к центральной оси полости. Единичные элементы могут быть ориентированы [001], [110], [111] или с любой другой желаемой кристаллографической ориентации, параллельной центральной оси полости. Следует отметить, что из-за анизотропного (направленного) характера монокристаллов, кристаллографическую ориентацию можно регулировать для оптимизации характеристик деформации при нагружении изделия.

Монокристалл имеет ряд уникальных характеристик, которые позволяют улучшить производительность по сравнению с традиционными поликристаллическими материалами.

Металлические отражатели для лазеров также рекомендуется изготавливать из монокристаллического материала вместо поликристаллического материала [6].

Монокристаллические отражатели с готовой отражающей полированной поверхностью оптического качества получают в тигле, не прибегая к механической обработке. Дальнейшее разделение монокристалла путем разрезания его на несколько более мелких отражателей не оказывает вредного влияния на отражающие поверхности.

Монокристаллические отражатели выдерживают намного более экстремальные тепловые нагрузки, вызванные лазерными лучами. И такие свойства отражающих монокристаллов, как коэффициент отражения и оптимальная проводимость, достигаются также за счет отсутствия границ зерен в кристаллической решетке.

Полированные поверхности монокристаллических отражателей гарантируют наибольшее сопротивление тепловому воздействию падающего лазерного излучения, так как в анизотропном материале, возможно, выбрать ориентацию кристалла с максимальной или минимальной теплопроводностью.

Полированные отражатели для высокоэнергетического излучения изготавливаются из меди, серебра или золота и применяются для лазерной техники. Новое зеркало состоит из монокристаллов с полированной поверхностью. В качестве альтернативы эта поверхность может быть получена из монокристаллов меди травлением с металлографическим направлением [100] - или [111]. Зеркала с протравленной поверхностью выдерживают более высокую энергию, чем лазерные зеркала с полированной поверхностью. В качестве защиты от лазерных лучей несколько монокристаллических зеркал могут быть объединены в массивы, а отражающая поверхность может быть плоской или изогнутой.

Отражатели, выполненные из электролитической меди, не имеют регулярную структуру. Таким образом, на полированной поверхности есть границы зерен, ограничивающие примеси, вызывающие поглощение света и рассеяние. Кроме того, известно, что плавление металла начинается по границам зерен.

Данные монокристаллические отражатели, применяемые в лазерной технике, обладают более высокой эффективностью и они пригодны для высоких нагрузок энергии. Монокристаллы изготавливают из меди, серебра и золота 99,999% чистоты.

Результаты экспериментов с участием монокристаллических отражателей различных диаметров и форм показали, что:

1 В настоящее время лазеры достигают энергию порядка нескольких ГВт /см2. Лазерные лучи покрывают очень маленькие площади поперечного сечения, например, 0,6 х 0,4 мм. Такая высокая энергия приводит к разрушению всех традиционных отражателей. А монокристаллические отражатели представляют собой единую структуру кристалла с однородной полированной поверхностью и высокой отражательной способностью. Остаточная энергия, не отражается, и поглощенная радиация рассеивается быстрее в силу лучшего от-

вода тепла и распространяется на окружающие области, так как нет границ зерен в одном кристалле.

2 Сравнительные испытания электролитических медных отражателей с монокристаллическими медными отражателями дали отражения лучше около 1 %.

Монокристаллические отражатели из серебра или золота, производимого отражения лучше около 1,9 %.

3 Дополнительным преимуществом является более длительный срок службы монокристаллических отражателей вследствие меньшей склонности к окислению.

4 При одинаковом проведении полировки, получают улучшение отражательной способности поверхности и приведение к минимуму поглощения излучаемой энергии у кристаллических структур монокристаллов.

5 Самый высокий коэффициент отражения лазерных лучей был получен в зеркалах, у которых отражающая поверхность представляет собой [100] - или [111] - ориентацию плоскостей протравленных монокристаллов меди.

Кроме того, анизотропные свойства металла проявляются и в зависимости величины проводимости металла в зависимости от ориентации кристалла, а значит и величины отражения оптического излучения от поверхности металла 8.

К настоящему времени разработан ряд оптоэлектронных приборов для определения изменений физических и механических свойств поверхности металла оптическими методами. Также предлагается математическая модель анализа состояния поверхностей конструкционных материалов построенная с использованием свойств отражения от поверхности 10.

Влияние анизотропии на физико-механические свойства металлов также проявляется и для диэлектриков. Например, известно, что алмаз используется в качестве материала для линз высокоэнергетического излучения и имеет различную теплопроводность в зависимости от ориентации кристалла. Что открывает возможность для создания новых изделий в оптическом приборостроении.

Таким образом, рассмотрено влияние анизотропии свойств на изменение физических и механических свойств поверхности металла на примере монокристаллов.

1. Физический энциклопедический словарь / глав. редак. А.М.Прохоров. - М.: Советская энциклопедия, 1983. - 382 с.

2. US4875414; Explosivecharge with a projectile-formingmetallicinsert; (Пат. US 4875414 США 07/151713; Заряд взрывчатого вещества с снаряда формирования металлической вставкой) [Текст] / США 07/151713; заявл. 03.02.1988; опубл. 24.10.1989. - 6 с.

3. US4598643; Explosive charge liner made of a single crystal; (Пат. US4598643 США102/307; 102/476; Взрывная лайнер заряд изготовлен из монокристалла) [Текст] / США 07/151713; заявл. 18.12.1984; опубл. 08.07.1986. - 7 с.

4. US4192695; Metal crystals and process; (Пат. US4192695 США 05/898799; Металлические кристаллы и процесс) [Текст] 05/898799 / США; заявл. 24.04.1978; опубл. 11.03.1980. - 6 с.

5. US4896332; Monocrystalrefleci'ors for laser applications (Пат. US4896332 США 07/172306; Монокристалл отражатели для лазерных применений) [Текст] 05/898799 / США; заявл. 10.03.1988; опубл. 23.01.1990. - 5 с.

6. US5243620 High power refleci'ors for laser technology (Пат. US5243620 США 07/281945; Высокие отражатели питания для лазерной техники) [Текст] / США 07/281945; заявл. 06.12.1988; опубл. 07.09.1993. - 4 с.

7. Адамеску, Р.А. Анизотропия физических свойств металлов / Р.А. Адамеску, П.В. Гельд, Е.А. Митюшов. — М.: Металлургия, 1985. - 136 с.

8. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М: Наука Главная редакция физико-математической литературы изд-во «Наука» 1973, Справочное пособие, 720 с.

9. Возможность определения изменений физических и механических свойств поверхности металла оптическими методами / Ларина Т. В., Кутенкова Е. Ю., Минин О. В., Минин И. В. // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2015. XI Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Сиб0птика-2015» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 13-25 апреля 2015 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2015. Т. 2. - С. 219-226.

Анизотропия механических свойств металлов

Анизотропия (от др. uреч. ἄνισος — неравный и τρόπος — направление) - зависимость свойств материала (например, механических: предела прочности, относительного удлинения, твердости, износостойкости и др.) от направления внутри этого материала. Если материал изотропен, то его свойства одинаковы во всех направлениях.

Металлография тесно связана с вопросами анизотропии. По некоторым свойствам материал может быть изотропен, по другим — анизотропен. Материалы могут отличаться степенью анизотропии. Вопрос анизотропности материала связан с выбором направления внутри этого материала. В одном направлении материал может рассматриваться как анизотропный, в других – как изотропный. Анизотропия в металлографии может рассматриваться на разных масштабных уровнях. Например, на микроуровне (внутри зерна) материал может быть анизотропен, а на другом - изотропен (например в объеме образца).

Анизотропия может быть разделена на естественную и искусственную.

Примером естественной анизотропии на микроуровне является анизотропия элементарной кристаллической ячейки. Если рассматривать отдельные направления внутри элементарной ячейки, то проявляется анизотропия: различные направления имеют различные свойства на масштабном уровне, определяющемся размерами кристаллической решетки. В качестве примера можно привести монокристалл медного купороса (рис.1). Степень анизотропии кристаллов кубической сингонии гораздо выше. Если рассматривать направления осей x, у и z, то монокристалл поваренной соли изотропен (рис.1б). Овализованный кристалл поваренной соли имеет изотропную форму.

а	б

Рисунок 1. Гидратированные кристаллы медного купороса (а); естественный и овализованный кристаллы хлорида натрия (б).

Плотность и удельная теплоёмкость у всех кристаллов не зависят от направления. Анизотропия остальных физических свойств кристаллов тесно связана с их симметрией и проявляется тем сильнее, чем ниже симметрия. Например, усилие сдвига, скорость роста или растворения кристалла зависят от направления. Пример анизотропной структуры электролитического покрытия меди представлен на рис. 2. Кристаллиты покрытия растут на подложке в определенном направлении и все они ориентированы в пространстве одинаково. Скорость роста кристаллов максимальна в направлении, перпендикулярном подложке.

Рисунок 2. Структура электролитического покрытия меди.

Молекулярные кристаллы (белки или полимеры) также являются анизотропными объектами. Изделия, созданные на основе полимеров могут быть как анизотропными (например искусственные нити для производства тканей), так и изотропными (изделия, получаемые при горячем формообразовании полимерных порошков). Сам порошок (рис.3) можно считать изотропным.

Рисунок 3. Порошок политетрафторэтилена; освещение по методу темного поля.

Помимо белков, естественная анизотропия свойственна другим материалам биологического происхождения. Например: слюда, костные и мышечные ткани человека и животных, древесина и листья, трава и т.д.
Анизотропия материалов связана либо с естественной анизотропией материала, либо создается искусственно для придания материалу определенных свойств. Поликристаллические материалы (металлы, сплавы) принято считать изотропными, поскольку кристаллиты, составляющие металл, ориентированы хаотично относительно внешних и внутренних направлений в материале. Анизотропия в металлических материалах создается искусственно. Это, например, специальные условия кристаллизации (рис.4) (направленный теплоотвод). На рис.4а показана структура литой меди; кристаллиты вытянуты в направлении теплоотвода. Структура на рис.4б не имеет направленности. Анизитропную структуру можно получить при деформации - прокаткой и волочением. Например, на рис.5а показана структура прокатанной стали. Видны полосы перлита (темные), вытянутые вдоль направления деформации. Структура, показанная на рис.5б тоже состоит из перлита и феррита, но такую структуру можно считать изотропной, потому что феррит и перлит равномерно распределены в объеме стали. Сам перлит анизотропен, потому что имеет пластинчатое строение (в противоположность зернистому перлиту, который является изотропным).

Анизотропия, созданная тпластической деформацией, сохраняется в изделии или материале после прекращения воздействия и определяет комплекс его физико-механических свойств. Например, после холодной прокатки на 90% и отжига при 800 0 С медь имеет различное относительное удлинение: вдоль направления деформации – 40%, под углом 45 0 к направлению деформации – 75%.

а	б

Рисунок 4. Макроструктура литья: а – анизотропия макроструктуры меди за счет направленного теплоотвода; б – изотропная структура меди, формирующаяся при равномерном теплоотводе.

а	б

Рисунок 5. Анизотропия структуры углеродистой стали, созданная холодной прокаткой (а), и однородная структура, полученная нормализацией (б).

Композиционные материалы представляют собой искусственные анизотропные материалы, созданные, как правило, из двух и более материалов, часто различной природы. Композиционный материал состоит из армирующего прочного материала (как правило анизотропного) и связующего изотропного вещества с более низкими свойствами. Часто в качестве армирующего элемента используются высокопрочные волокна – графитовое или борное волокно, стекловолокно и т.д. (рис.6 а). Понятно, что в продольном сечении материал можно рассматривать как анизотропный (рис. 6 б), в поперечном сечении – как изотропный, т.к. сечение волокна сферическое (рис. 6в). Из элементарных соображений понятно, что свойства композиционного материала вдоль волокна будут существенно отличаться от свойств в поперечном направлении. Этот случай анизотропии представляет собой частный случай анизотропии под названием ортотропия (от др. греч. ὀρθός — прямой и τρόπος — направление) —различие свойств материала по взаимно перпендикулярным направлениям.

а	б	в

Рисунок 6. Анизотропия композиционных материалов: а – борное волокно; б – волокно в составе композита, продольное сечение материала; в – поперечное сечение материала.

Анизотропии свойств металлов

Свойства материалов зависят от природы атомов и сил взаимодействия между ними. Аморфные материалы характеризуются хаотическим расположением атомов, поэтому свойства их в различных направлениях одинаковы или изотропны. В кристаллических материалах плотность атомов в различных кристаллографических направлениях различно, в следствии чего наблюдается различие свойств в разных направлениях плоскостей металла.
Различие свойств в кристалле в зависимости от кристаллографического направления называется анизотропией.
Анизотропия свойств характерна для монокристаллов (одиночных кристаллов). Однако, большинство технических металлов – тела поликристаллические, т.е. состоят из большого числа анизотропных кристаллов, которые неупорядочено ориентированы по отношению друг к другу. Это приводит к тому, что в целом свойства поликристаллического
металла являются усредненными, т.е. они изотропны (квазиизотропны). Анизотропными становятся металлы после обработки давлением в холодном состоянии, когда большинство зерен приобретают одинаковую ориентировку (текстуру).

Дефекты кристаллического строения В реальных кристаллах всегда есть дефекты, которые оказывают влияние на свойства сплавов и их обработку. Дефекты – это отклонения от правильного идеального регулярного расположения атомов в решетке кристалла. Различают: точечные, линейные, поверхностные (двухмерные) и объемные (трехмерные). Точечные дефекты Точечные дефекты малы во всех трех измерениях (длина – несколько атомных диаметров). К точечным дефектам относятся вакансии, межузельные атомы, примесные атомы и их комплексы. Вакансии –представляют собой узлы решетки, в которых атомы отсутствуют («дырки»). Причина – активация атомов, которая есть всегда, если температура выше 0 градусов Кельвина. В кристаллах всегда есть атомы, кинетическая энергия которых выше средней. Такие атомы, особенно, если они находятся вблизи поверхности, могут выйти на поверхность кристалла, а их место займут атомы, находя щиеся дальше от поверхности, а принадлежащие им узлы кристаллической решетки окажутся свободными. Так возникают тепловые вакансии, т. е. возникающие при нагреве. Вакансии искажают кристаллическую решетку изменяя тем самым, например электропроводность, кроме того играют определенную роль в диффузионных процессах, протекающих в металлах. При комнатной температуре концентрация вакансий невелика, но при повышении температуры, особенно вблизи температуры плавления резко возрастает, но все равно мала – до 2 % при температуре плавления. Быстрым охлаждением вакансии можно зафиксировать (скорость охлаждения велика, и атомы не успевают вернуться в исходное положение). Такие вакансии называют закалочными. Вакансии образуются не только в результате нагрева, но и при пластической деформации. Перемещаясь по кристаллу одиночные вакансии могут встречаться. В этом случае они могут объединяться в пары, образуя дивакансии (бивакансии), т. к. при этом уменьшается их суммарная поверхность, устойчивость такой спаренной вакансии возрастает. Возможно также образование тривакансий и целых цепочек. Межузельные атомы ( дислоцированный атом) – сместившиеся из узлов решетки в межузельные промежутки. Образуется редко, т к энергия их образования очень велика, в несколько раз больше образования вакансий. Примесные атомы – занимают место основных атомов или внедряются внутрь ячейки. Точечные дефекты оказывают влияние на физические свойства металлов: электропроводность, магнитные свойства и т.д., а также на фазовые превращения в металлах и сплавах. На механические свойства влияют мало. ЛиЛинейные дефекты имеют малые размеры в двух измерениях и большую протяженность в третьем. Особо важным видом линейных дефектов являются дислокации – локализованные искажения кристаллической решетки, вызванные наличием в них «лишней» атомной плоскости или экстраплоскости. Краевая линейная дислокация –область несовершенств кристаллической решетки вокруг края экстраплоскости. Если экстраплоскость находится в верхней части кристалла то дислокацию называют положительной и обозначают «+», если в нижней, то отрицательной « – ». Дислокации одного знака отталкиваются, а противоположного – притягиваются. Кроме краевых дислокаций в кристаллах могут образовываться винтовые дислокации, которые получаются путем частичного сдвига и закручивания. Дислокации образуются уже при кристаллизации металла, а также в процессе пластической деформации и фазовых превращениях. Важной характеристикой дислокационной структуры является плотность дислокаций ( ). Плотность дислокаций – суммарная длина дислокаций, приходящаяся на единицу объема Vкристалла. Для отожженнных металлов =10 6 – 10 8 см -2 . После холодной деформации увеличивается до 10 11 – 10 12 см -2 . Вектор Бюргерса – это мера искаженности кристаллической решетки обусловленная присутствием в ней дислокации; он характеризует сумму всех упругих смещений решетки, накопившихся вокруг дислокации. Дислокации оказывают влияние на механические свойства металлов. Поверхностные дефекты малы только в одном направлении. Они представляют собой упругие искажения кристаллической решетки по границам зерен или их фрагментов (блоков мозаичной структуры). Различают большеугловые (высокоугловые) и малоугловые (низкоугловые) границы. Большеугловые границы представляют собой области в несколько периодов кристаллической решетки, на протяжении которых решетка одной кристаллографической ориентации переходит в решетку другой ориентации. Такое строение имеют межзеренные границы. Малоугловые границы представляют собой цепочки дислокаций (дислокационные стенки), отделяющие одну часть кристаллической решетки от другой (один блок мозаичной структуры от другого). Плотность расположения дислокаций зависит от угла между кристаллографическими плоскостями в соседних блоках. Чем угол больше (в пределах до нескольких угловых градусов), тем чаще расположены дислокации. Объемные дефекты представляют собой искажения решетки, вызванные наличием пор, трещин, раковин и других макроскопических нарушений непрерывности кристаллической решетки. B) 2. (d) 3. (a) 4. (a) 5. (c) 6. (d) 7. (d) 8. (c) 9. (d) 10. (a) 11. (b) 12. (a) B) 14. (a) 15. (c) 16. (c) 17. (a) 18. (d) 19. (c) 20. (c) 21. (a) Читайте также:    Труба с внутренним диаметром 25 мм металл    Металлические двери для котельной с решеткой    Творческая работа по теме металлы    Как называется забор из металлических прутьев    Montana грунт для металла