Как влияет размер зерна в поликристаллических материалах на свойства

Обновлено: 18.09.2024

Металлы – это поликристаллические тела, они состоят из мелких кристаллов. Характеризуются металлическими свойствами и составляют 50 % всех химических элементов. Строение металлов и их сплавов кристаллическое.

В процессе кристаллизации кристаллы приобретают неправильную форму. Их называют зернами. Каждое зерно имеет свою ориентировку кристаллической решетки, которая отличается от ориентировки соседних зерен. Размер зерна металла влияет на его механические свойства. Данные свойства, вязкость и пластичность, значительно выше, если металл имеет мелкое зерно.

Поверхности раздела зерен называются границами зерен, которые могут быть: наклонными при расположении оси вращения в той же плоскости, что и граница; кручеными при перпендикулярно расположенной оси к плоскости. Такой кусок металла является поликристаллом. Границы зерен определяются точками соприкосновения смежных кристаллов. О размерах, структуре и характере строения зерен можно судить по изломам металла.

В поликристаллических материалах размер зерен от 1 до 1000 мкм. Зерна разориентированы, повернуты одни относительно других до десятков градусов. Границы являются основным дефектом в металлах. На границах между зернами атомы не имеют правильного расположения. Существует переходная область шириной в несколько атомных диаметров, в которой решетка одного зерна переходит в решетку другого зерна с иной ориентацией. Строение переходного слоя (границы) способствует скоплению в нем дислокаций, так как при переходе через границу ни плоскость скольжения, ни вектор Бюргерса не сохраняются неизменными. Нарушение правильности расположения способствует тому, что на границах зерен повышена концентрация тех примесей, которые понижают поверхностную энергию. Внутри зерен нарушается правильное кристаллическое строение.

Границы субзерен менее нарушены.

Все металлы имеют общие свойства: пластичность, высокую тепло– и электропроводность, специфический металлический блеск, повышают электросопротивление с ростом температуры.

Из жидкого расплава вырастает монокристалл, который представляет собой один кристалл. Размеры монокристаллов невелики, их используют в лабораториях для изучения свойств какого-либо вещества. Металлы и сплавы, которые получают в самых обычных условиях, состоят из большого количества кристаллов, они имеют поликристаллическое строение.

Изучение строения металлов с помощью рентгеноструктурного анализа и электронного микроскопа позволило установить, что внутреннее кристаллическое строение зерна не является правильным. В кристаллических решетках реальных металлов имеются различные дефекты (несовершенства), которые нарушают связи между атомами и оказывают влияние на свойства металлов. Все дефекты решетки – это нарушения укладки атомов в решетке.

Расположение атомов в решетке может быть в форме центрированного куба (б– и в-железо, б-титан, хром, молибден, вольфрам, ванадий), куба, грани которого центрированы (г-железо, алюминий, медь, никель, свинец, в-кобальт) или гексагональны, или в форме ячейки (магний, цинк).

Зерна в поликристаллах не являются монолитными, а состоят из отдельных субзерен, которые повернуты одно относительно другого на малый угол. Субзерно является многогранником, в котором содержится либо незначительное количество дислокаций, либо их совсем нет. Основные характеристики субзерен: тип, расположение, строение, плотность дислокаций. Многие дислокации образуются в результате механического сдвига.

Границы субзерен и зерен в металлах разделяют на малоугловые и большеугловые. Малоугловые границы наблюдаются между субзернами и имеют дислокационное строение. Малоугловую границу можно представить с помощью ряда параллельных краевых дислокаций. Образование субзерен с малоугловыми дислокациями называется полигонизацией. Структура большеугловых границ более сложная. Субграницы образованы определенными системами дислокаций. В зависимости от того, какой материал и какое воздействие на него оказывает окружающая среда, находится расположение дислокаций. Если металл мало деформирован, то местом скопления дислокаций являются плоскости скольжения. Если же такие металлы, как алюминий, железо подвергаются сильной деформации, то дислокации представлены в виде сложных сплетений: пространств, сетки.

Структура, в которой субзерна разориентированны друг относительно друга на угол 15-300, является блочной или мозаичной.

Плотность дислокаций в металле повышается при увеличении угла разориентации субзерен и уменьшением их величины. Атомы, расположенные на границах зерен, и атомы на поверхности кристалла из-за нескомпенсированности сил межатомного взаимодействия, имеют более высокую потенциальную энергию, по сравнению с атомами в объеме субзерен. Наличие дислокаций влияет на прочностные качества металлов. По теоретическим подсчетам предел упругости чистых металлов в 1000 раз превышает реальный, а предел упругости стали – в 100 раз.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

Строение древесины

Строение древесины Сделав только поперечный срез, можно четко рассмотреть строение древесины. Каждый брусок необтесанного дерева имеет кору – это кожа дерева, которая не используется в работе, ее обязательно снимают. Под корой располагается зона роста дерева, которая

Строение древесины

ЛЕКЦИЯ № 1. Строение древесины

ЛЕКЦИЯ № 1. Строение древесины 1. Виды древесных пород и части дерева Растущие деревья имеют следующие составные части: корни, ствол, ветви, листья. Корневая система деревьев выполняет функции поставщика влаги и питательных веществ из почвы по стволу и ветвям к листьям.

2. Макроскопическое строение древесины

2. Макроскопическое строение древесины При поперечном разрезе ствола дерева можно установить главные макроскопические признаки: заболонь, ядро, годичные слои, сердцевинные лучи, сосуды, смоляные ходы и сердцевинные повторения.У молодых деревьев всех пород древесина

1. Строение металлов

1. Строение металлов Металлы и их сплавы – основной материал в машиностроении. Они обладают многими ценными свойствами, обусловленными в основном их внутренним строением. Мягкий и пластичный металл или сплав можно сделать твердым, хрупким, и наоборот. Для того чтобы

V НОВЫЕ ГРАНИЦЫ

V НОВЫЕ ГРАНИЦЫ Советская страна так велика и так разнообразна, что нам потребовалось немало времени, чтобы обозреть ее физическую карту, ту основу, на которую уже потом общественная жизнь накладывает свой отпечаток — к изломам морского побережья, к змейкам рек, к

§ 3.3 Строение атомов и периодический закон Менделеева

§ 3.3 Строение атомов и периодический закон Менделеева Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов, находятся в периодической зависимости (или, выражаясь алгебраически, образуют периодическую функцию) от их атомных весов. Д.И. Менделеев Считается,

§ 3.6 Строение ядер

§ 3.6 Строение ядер Чем больше в ядре должно поместиться нуклонов, тем больше должна быть площадь поверхности ядра, где происходят присоединения то протонов, то нейтронов… Этим особенностям лучше всего отвечает форма ядра в виде двух пирамид Хеопса, соединённых

§ 4.14 Строение вещества и химическая связь

§ 4.14 Строение вещества и химическая связь Что, наконец, представляется нам затверделым и плотным, То состоять из начал крючковатых должно несомненно, Сцепленных между собой наподобие веток сплетённых. В этом разряде вещей, занимая в нём первое место, Будут алмазы

Глава 32 Строение Пространства – Времени

8. Плавление металлов и строение расплавов

8. Плавление металлов и строение расплавов Плавление – это физический процесс перехода металла из твердого состояния в жидкое расплавленное. Плавление – процесс, обратный кристаллизации, происходит при температуре выше равновесной, т. е. при перегреве. Поскольку

10. Строение слитка и аморфные сплавы

10. Строение слитка и аморфные сплавы Строение стального слитка впервые дано в 1878 г. Д.К. Черновым. Структура литого слитка состоит из трех основных зон. Первая зона – наружная мелкозернистая корка, которая состоит из дезориентированных мелких кристаллов –

Кристаллический материал может представлять собой единый, относительно крупный кристалл, который принято называть монокристаллом, а может состоять из множества мелких кристалликов, образующих некоторую целостность. Подобное строение материалов называют поликристаллическим или зёрнистым.

Поликристаллическое, т.е. зернистое строение наблюдается, в частности, у металлов и сплавов, затвердевших в обычных условиях. Каждое отдельное зерно поликристаллического металла или сплава является микроскопическим кристалликом неправильной формы. Размер зёрен колеблется в пределах от десятых долей микрона до нескольких миллиметров. Зёрна отделены друг от друга поверхностью раздела или границей, представляющей собой переходной слой, толщиной порядка 5-10 межатомных расстояний. На протяжении границы кристаллическая структура одного зерна плавно переходит в кристаллическую структуру соседнего зерна. Порядок расположения атомов на границах зёрен сильно нарушен. Угол разориентации кристаллических решёток в соседних зёрнах (угол α) является произвольным (рис 2.). Другими словами, зёрна случайным образом ориентированы в пространстве.

α- угол разориентации кристаллических решёток

в соседних зёрнах.

Рис. 2. Ориентация кристаллических решёток в соседних зёрнах.

Сами зёрна состоят из фрагментов, которые в свою очередь делятся на блоки. Угол разориентации кристаллических решёток в соседних фрагментах не превышает 5º, а для соседних блоков составляет величину от нескольких минут до нескольких секунд.

Причиной зернистого строения металлов и сплавов является то, что они кристаллизуются сразу из нескольких центров. В начальный момент затвердевания в жидком расплаве появляются зародыши кристаллов, которые начинают расти. В следующий момент времени появляется очередная порция зародышей, которые также растут. И так до тех пор, пока весь материал не закристаллизуется. На заключительном этапе кристаллизации соседние кристаллики приходят в соприкосновение и мешают друг другу расти. Поэтому они приобретают неправильную форму – форму зёрен.

Если в процессе кристаллизации создавать специальные условия, когда подавляются все зародыши кроме одного или нескольких, удаётся вырастить относительно крупный монокристалл металла или сплава, который приобретает правильную форму. В противном случае формируется поликристаллическая структура материала.

Наблюдать зернистую структуру металлических материалов можно только в микроскоп при большом увеличении на специально подготовленных образцах. Эту, наблюдаемую в микроскоп зернистую структуру материалов, называют микроструктурой.

Поскольку металлы и сплавы являются непрозрачными материалами, то для изучения их микроструктуры необходим специальный металлографический микроскоп, работающий по принципу отражения световых лучей от доведённой до зеркального блеска, полированной поверхности образца. Для выявления зёрен полированную поверхность образца подвергают травлению, т.е. обрабатывают различными реактивами, в частности, кислотами. Кислота в первую очередь разъедает границы зёрен и на их месте появляются углубления, которые не отражают, а рассеивают свет, падающий на поверхность образца. В результате границы зёрен становятся видимыми и обнаруживаются под микроскопом в виде тёмных полосок. Образец металлического материала, специально подготовленный для изучения его микроструктуры, называют микрошлифом.

Имея подобный вид структуры, можно судить о расположении, форме и величине зерен, составляющих металл, и даже давать количественную оценку размерам зерен, т. е. определять их величину.

Эту величину принято характеризовать обычно средней площадью сечения каждого зерна, поскольку на шлифах наблюдаются всегда только сечения зерен, а не их пространственные размеры.

Полагая в общем случае, что все зерна одинаковы и в среднем могут быть уподоблены шарам (равноосны), для определения их величины измеряют некоторую площадь наблюдаемой структуры F и подсчитывают число N сечений зерен, наблюдаемых на этой площади. Частное от деления ^- будет представлять среднюю величину

зерна, выражаемую чаще всего в квадратных микронах (р.2).

Подробности об измерении зерен в металлах даются в практических руководствах. Следует отметить лишь примерные масштабы для суждения о размерах зерен. Весьма мелкие зерна (м и к р о-скопические, примерно, как изображенные на фиг. 23) имеют размеры порядка нескольких сот квадратных микрон; зерна крупные, макроскопические, можно выражать уже квадратными миллиметрами (10°р-2) и более.

Иногда величину зерен характеризуют средним диаметром, уподобляя их внешнюю форму шару. Размер зерна имеет весьма существенное влияние на свойства металла. В практике уже давно замечено, что крупные зерна большей частью сопровождаются пониженным механическим качеством металла; могут изменяться и прочие свойства, что находит объяснение отчасти в большем или меньшем развитии границ между зернами-кристаллами.

Влияние границ зерен на свойства металла в целом сказывается прежде всего в том, что эти границы являются поверхностями раздела зерен, в которых частицы (атомы) самого металла уже энергетически отличны от атомов, расположенных в решетке внутри зерна. Полагают, что частицы между зернами обладают повышенной энергией, представляющей поверхностную энергию, которая играет большую роль в явлениях, происходящих в различных телах и, в том числе, в металлах и их сплавах.

Таким образом, даже если представить себе абсолютно чистый металл, то и в нем должна существовать прослойка между зернами в циде неопределенно расположенных атомов, которую некоторые рассматривают как аморфную пленку металла и которая может влиять на свойства всего куска металла в целом.

Но помимо таких пленок, состоящих из атомов самого металла, в практически применимых металлах всегда имеются примеси, которые также могут расположиться в промежутках между зернами в виде пленок или включений и оказывать влияние на свойства металла.

Например, если эти пленки непрочны (хрупки), связь между зернами будет ослаблена, и разрушение металла при механическом воздействии произойдет по границам зерен. В этом случае будет наблюдаться межкристаллический излом металла (или интергранулярный).

Может быть и такой случай, когда прослойки между зернами окажутся прочнее самих зерен; тогда разрушение произойдет внутри самих зерен и будет виден в и утрикр металлический излом (или и н т р а г р а н у л я р н ы й).

Таким образом большее или меньшее развитие границ зерен должно оказывать влияние на металл. Так как это развитие границ определяется размерами зерна, то на последние должно быть обращено внимание при исследовании металлов.

Обработка металлов резанием. Формообразование поверхности металлов.

Обработка металлов резанием, технологические процессы обработки металлов путём снятия стружки, осуществляемые режущими инструментами на металлорежущих станках с целью придания деталям заданных форм, размеров и качества поверхностных слоев. Основные виды О. м. р.: точение,строгание, сверление, развёртывание, протягивание, фрезерование и зубофрезерование, шлифование, хонингование и др. Закономерности О. м. р. рассматриваются как результат взаимодействия системы станок — приспособление — инструмент — деталь

Пространственную конструктивную форму любой детали определяет сочетание различных поверхностей. Для облегчения обработки заготовки конструктор стремится использовать следующие геометрические поверхности: плоские, круговые цилиндрические и конические, шаровые, торовые, геликоидные и др. Любая геометрическая поверхность представляет собой совокупность последовательных положений (следов) одной производящей линии, называемой образующей, движущейся по другой производящей линии, называемой направляющей. Например, для образования круговой цилиндрической поверхности необходимо прямую линию (образующую) перемещать по окружноети (направляющей).

При обработке поверхностей на металлорежущих станках образующие и направляющие линии в большинстве случаев являются воображаемыми. Они воспроизводятся во времени комбинацией движений заготовки и инструмента, скорости которых строго согласованы между собой. Движения резания являются также формообразующими движениями. Механическая обработка заготовок деталей машин реализует в основном четыре метода формообразования поверхностей. Рассмотрим их на конкретных примерах.

Получение поверхностей по методу копирования состоит в том, что режущая кромка инструмента является реальной образующей линией 1, форма которой совпадает или обратна той, которая является образующей линией поверхности детали (рис. 48, а). Направляющая линия 2 воспроизводится во времени вращением заготовки. Главное движение здесь является формообразующим. Движение подачи необходимо для того, чтобы получить геометрическую поверхность определенного размера. Метод копирования широко используют при обработке фасонных поверхностей деталей на различных металлорежущих станках.

Образование поверхностей по методу следов состоит в том, что образующая линия 1 является траекторией движения точки (вершины) режущей кромки инструмента, а направляющая линия 2- траекторией движения точки заготовки (рис. 48, б). Здесь движения резания являются формообразующими. Этот метод формообразования поверхностей деталей распространен наиболее широко.

Образование поверхностей по методу касания состоит в том, что образующей линией 1является режущая кромка инструмента (рис. 48, в), а направляющая линия 2 поверхности служит касательной к ряду геометрических вспомогательных линий - траекториям точек режущей кромки инструмента. Здесь формообразующим является только движение подачи. Образование поверхностей по методу обкатки (огибания) заключается в том, что направляющая линия 2 воспроизводится вращением заготовки. Образующая линия 1 получается как огибающая кривая к ряду последовательных положений режущей кромки инструмента относительно заготовки (рис. 48, г) вследствие согласования между собой движения резания с движением подачи. Скорости этих движений согласуются так, что за время прохождения круглым резцом расстояния I резец должен сделать один полный оборот относительно своей оси вращения. Здесь все три движения являются формообразующими.

Резцы и их геометрия.

Различают токарные резцы:

проходные – для обтачивания наружных цилиндрических и конических поверхностей;

расточные – проходные и упорные – для растачивания глухих и сквозных отверстий;

отрезные – для отрезания заготовок;

резьбовые – для нарезания наружных и внутренних резьб;

фасонные – для обработки фасонных поверхностей;

прорезные – для протачивания кольцевых канавок;

галтельные – для обтачивания переходных поверхностей между ступенями валов по радиусу.

Головка резца имеет следующие элементы: переднюю поверхность, задние поверхности, режущие кромки и вершину.

Передней поверхностью называется поверхность резца, по которой сходит стружка.

Задними поверхностями называются поверхности резца, обращенные к обрабатываемой заготовке (главная и вспомогательная).

Режущие кромки образуются пересечением передней и задних поверхностей; их две — главная режущая кромка и вспомогательная.

Главная режущая кромкавыполняет основную работу резания. Она образуется от пересечения передней и главной задней поверхностей.

Вспомогательная режущая кромкаобразуется от (пересечения передней и вспомогательной задней поверхностей.

Вершина резцаэто место сопряжения главной и вспомогательной режущих кромок.

Измерение углов осуществляется по отношению к основной плоскости и плоскости резания.

Основной плоскостьюназывается плоскость, параллельная направлениям продольной и поперечной подач. У токарных резцов с призматическим телом за эту плоскость может быть принята нижняя опорная поверхность резца.

Плоскостью резанияназывается плоскость, перпендикулярная к основной и проходящая через режущую кромку резца, по касательной к поверхности резания.

© 2014-2022 — Студопедия.Нет — Информационный студенческий ресурс. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав (0.004)

2. Зеренное строение металлов. Границы зерен и субзерен

Границы субзерен менее нарушены.

Читайте также: