«Ответы на вопросы материаловедению»

1. Дефекты реальных кристаллов. Виды дефектов по геометрическим признакам. Понятие поверхностного и объемного дефектов. Виды поверхностных и объемных дефектов

 

Строение реальных кристаллов отличается от идеальных. В реальных кристаллах всегда содержатся дефекты, которые подразделяют на точечные, линейные, поверхностные и объемные. Размеры точечного дефекта близки к межатомному расстоянию. У линейных дефектов длина на несколько порядков больше ширины; у поверхностных дефектов мала толщина, а ширина и длина больше ее на несколько порядков. Объемные дефекты (поры, трещины) имеют значительные размеры во всех трех направлениях.

Дефекты сохраняют подвижность, способны перемещаться в кристаллической решетке и при сближении взаимодействуют между собой. В большинстве случаев подвижность дефектов контролируется диффузией. Передвижение дислокаций под действием напряжений не связано с массопереносом, дислокации подвижны и при низких температурах, когда диффузия уже не играет никакой роли.

Точечные дефекты

К самым простым точечным дефектам относятся вакансии, межузельные атомы основного вещества, чужеродные атомы внедрения (рис. 1.).

Вакансией называется пустой узел кристаллической решетки, а межузельным атомом – атом, перемещенный из узла в позицию между узлами.

Рис. 1. Точечные дефекты в кристаллической решетке:

а – вакансия; б – межузельный атом; в – примесный атом внедрения

Вакансии и межузельные атомы появляются в кристаллах при любой температуре выше абсолютного нуля из-за тепловых колебаний атомов. Каждой температуре соответствует равновесная концентрация вакансий, а также межузельных атомов. Например, в меди при 20–25°С содержится 10^-13 % (ат.) вакансий, а вблизи точки плавления – уже 0,01 % (ат.) (одна вакансия приходится на 10⁴ атомов).

Пересыщение точечными дефектами достигается при резком охлаждении после высокотемпературного нагрева, при пластическом деформировании и при облучении нейтронами. В последнем случае концентрация вакансий и межузельных атомов одинакова: выбитые из узлов решетки атомы становятся межузельными атомами, а освободившиеся узлы становятся вакансиями.

С течением времени избыток вакансий сверх равновесной концентрации уничтожается на свободных поверхностях кристалла, порах, границах зерен и других дефектах решетки. Места, где исчезают вакансии, называются стоками вакансий. Вакансии являются самой важной разновидностью точечных дефектов; они ускоряют все процессы, связанные с перемещениями атомов (диффузия, спекание порошков и т.д.).

В ионных и ковалентных кристаллах вакансии и другие точечные дефекты электрически активны и могут быть как донорами, так и акцепторами. Это создает в кристаллах преобладание определенного типа проводимости. В ионных кристаллах электрическая нейтральность кристалла сохраняется благодаря образованию пары точечных дефектов: вакансия-ион, у которых электрические заряды имеют противоположные знаки.

Все виды точечных дефектов искажают кристаллическую решетку и, в определенной мере, влияют на физические свойства. В технически чистых металлах точечные дефекты повышают электросопротивление, а на механические свойства почти не влияют. Лишь при больших концентрациях дефектов в облученных металлах понижается пластичность и заметно изменяются другие свойства.

Линейные дефекты

Важнейшие виды линейных несовершенств – краевые и винтовые дислокации (рис. 2). Краевая дислокация в сечении представляет собой край «лишней» полуплоскости в решетке (см. рис. 2, а). Вокруг дислокаций решетка упруго искажена.

 

Рис. 2. Схемы краевой (а) и винтовой (б) дислокаций

 

Мерой искажения служит так называемый вектор Бюргерса. Он получается, если обойти замкнутый контур в идеальном кристалле (рис. 3, а), переходя от узла к узлу, а затем этот же путь повторить в реальном кристалле, заключив дислокацию внутрь контура.

 

Рис. 3. Определение вектора меньше межатомного расстояния. Бюргерса

 

Как видно на рис. 2, б в реальном кристалле контур окажется незамкнутым. Вектор b, который нужен для замыкания контура, называется вектором Бюргерса. У краевой дислокации вектор Бюргерса равен межатомному расстоянию и перпендикулярен дислокационной линии, у винтовой дислокации – параллелен ей.

Полные дислокации легко перемешаются под действием напряжений в отличие от частичных дислокаций, у которых вектор Бюргерса меньше межатомного расстояния.

Внутри кристалла дислокации связаны в единую объемную сетку; в каждом узле сетки соединены три дислокации и сумма их векторов Бюргерса равна нулю.

В кристаллах содержатся дислокации разных знаков, различающиеся ориентацией векторов Бюргерса. Дислокации одного знака, расположенные в одной плоскости, отталкиваются друг от друга, а противоположных знаков – притягиваются.

Плотность дислокаций – это суммарная длина всех линий дислокаций в единице объема. В полупроводниковых кристаллах она равна 10⁴ – 10⁵ см^-2, у отожженных металлов – 10⁶ – 10⁸ см^-2. При холодном пластическом деформировании плотность дислокаций возрастает до 10¹¹ – 10¹² см^-2. Попытка увеличить плотность свыше 10¹² см^-2 быстро приводит к появлению трещин и разрушению металла.

Дислокации возникают при кристаллизации, плотность их большая, поэтому они значительно влияют на свойства материалов. Дислокации наряду с другими дефектами участвуют в фазовых превращениях.

Вдоль дислокаций скорость диффузии на несколько порядков выше, чем сквозь кристаллическую решетку без дефектов. Дислокации служат местом концентрации примесных атомов, в особенности примесей внедрения, так как это уменьшает искажения решетки. Примесные атомы образуют вокруг дислокации зону повышенной концентрации – так называемую атмосферу Коттрелла, которая мешает движению дислокаций и упрочняет металл.

Особенно велико влияние дислокаций на прочность кристаллов. Благодаря подвижным дислокациям экспериментально определенный предел текучести металлов в 1000 раз меньше теоретического значения. При значительном увеличении плотности дислокаций и уменьшении их подвижности прочность увеличивается в несколько раз по сравнению с отожженным состоянием. Прочность бездефектных участков (в том числе длинных и тонких «усов», полученных кристаллизацией из газовой фазы) приближается к теоретической.

Наиболее важными поверхностными дефектами являются больше-угловые и малоугловые границы, дефекты упаковки, границы двойников.

 

Рис. 4. Схемы строения большеугловых (а) и малоугловых (б) границ

 

Поликристаллический сплав содержит огромное число мелких зерен. В соседних зернах решетки ориентированы различно (рис. 4), и граница между зернами представляет собой переходный слой шириной 1 – 5 нм. В нем нарушена правильность расположения атомов, имеются скопления дислокаций, повышена концентрация примесей. Границы между зернами называются большеугловыми, так как соответственные кристаллографические направления в соседних зернах образуют углы в десятки градусов (см. рис. 4, а).

Каждое зерно, в свою очередь, состоит из субзерен (блоков). Субзерно представляет собой часть кристалла относительно правильного строения, а его границы – стенки дислокаций, которые разделяют зерно на отдельные субзерна (см. рис. 4, б). Угол взаимной разориентации между соседними субзернами невелик (не более 5°), поэтому такие границы называются малоугловыми. На малоугловых границах также скапливаются примеси.

Дефект упаковки представляет собой часть атомной плоскости, ограниченную дислокациями, в пределах которой нарушен нормальный порядок чередования атомных слоев. Например, в сплавах с ГЦК решеткой чередуются плотноупакованные слои АВСАВСАВ..., а при прохождении через дефект упаковки слои чередуются в последовательности АБС ВС АБС... Чередование слоев ВС ВС... типично для кристаллов с ГП решеткой, и, таким образом, дефект упаковки представляет собой как бы тонкую пластинку с ГП решеткой в ГЦК решетке.

Поверхностные дефекты влияют на механические и физические свойства материалов. Особенно большое значение имеют границы зерен.

Вдоль границ зерен и субзерен быстро протекает диффузия (во много раз быстрее, чем сквозь кристалл), особенно при нагреве. Взаимодействие между дефектами, перемещение их в кристаллах, изменение концентрации дефектов – все это отражается на свойствах и имеет большое практическое значение. 

2. Диаграмма «Fe – Fe₃C». Применение

 

Диаграмма состояния железо – углерод дает представление о строении железоуглеродистых сплавов – сталей и чугунов (рис. 1). Первое представление о диаграмме железо – углерод дал Д.К. Чернов, который в 1868 году отметил существование в стали критических точек и их зависимость от содержания в стали углерода, т.е. по сути, впервые указал на полиморфизм железа.

 

 

В зависимости от температуры железо может существовать в двух модификациях – ОЦК (Fе_α) и ГЦК (Fе_γ). Модификация Fе_α существует при температурах до 910°С. Период ОЦК решетки безуглеродистого железа равен 0,286 им при 20–25°С. Ре существует в интервале температур от 910 до 1392°С. Период ГЦК решетки железа при 910°С равен 0,364 нм. При температурах выше 1392°С железо имеет решетку ОЦК и его обозначают Fе_δ.

Содержание углерода в диаграмме Fе–С (цементит) ограничивается 6,67%, так как при этой концентрации образуется химическое соединение – карбид железа (Fе₃С) или цементит, который и является вторым компонентом данной диаграммы.

Система Fе–Fе₃С метастабильная. Образование цементита вместо графита дает меньший выигрыш свободной энергии, но кинетическое образование карбида железа более вероятно.

Точка А (1539°С) отвечает температуре плавления железа, точка D – температуре плавления цементита (точно не определена в связи с его распадом при нагреве), точки N (1392°С) и G (910°С) соответствуют полиморфному превращению Fе_α ↔ Fе_γ.

Концентрация углерода (по массе) для характерных точек диаграммы состояния (рис. 1) следующая: В – 0,51% С в жидкой фазе, находящейся в равновесии с δ-ферритом (Fе_δ(С)) и аустенитом (Fе_γ(С)) при перитектической реакции и при 1499°С; H – 0,1%С в δ-феррите при 1490°С; J – 0,16% С – в аустените-перитектике при 1490°С; Е – 2,14% С предельное содержание в аустените при 1147°С; 5 – 0,8% С в аустените при реакции эвтектоидного превращения 727°С; Р – 0,02% С – предельное содержание в феррите (Fе_α (С)) при 727°С.

Линии диаграммы состояния Fe–Fe₃C имеют следующие обозначения: АВ (линия ликвидуса) указывает температуру начала кристаллизации δ-феррита из жидкого сплава; ВС (линия ликвидуса) – температуру начала кристаллизации аустенита (А) из жидкого сплава; СО (линия ликвидуса) – начало кристаллизации первичного цементита (Fe₃C) из жидкого сплава, следовательно, вся линия ликвидуса – АВСD.

В системе (Fe–С) имеются две большие группы сплавов: стали и чугуны. Сталями называют сплавы железа с углеродом, содержащие до 2,14% С; сплавы с большим содержанием углерода называют чугунами. Сталь, содержащую 0,8% С, называют эвтектоидной. Если в стали углерода менее 0,8%, то ее называют доэвтектоидной, а при содержании углерода более 0,8%, но < 2,14% С – заэвтектоидной. Структура доэвтектоидной стали состоит из феррита (светлая составляющая) и перлита, структура эвтектоидной стали состоит только из перлита; структура заэвтектоидной стали состоит из перлита (темная составляющая) и цементита вторичного (светлая составляющая в виде сетки).

Перлит имеет пластинчатое строение, кристаллы цементита перемежаются с кристаллами феррита. Эвтектоидную смесь, состоящую из феррита и цементита, называют перлитом. Необходимо помнить, что в реакции эвтектоидного превращения нет жидкой фазы. 

Чугунами называют сплавы железа с углеродом, содержащие более 2,14% углерода. Чугун, содержащий углерода больше 2,14%, но меньше 4,3%, называют доэвтектическим. Чугун, содержащий 4,3% С, называют эвтектическим, а при содержании углерода более 4,3%, но менее 6,67% – заэвтектическим. Доэвтектический чугун имеет структуру перлита, ледебурита (перлит + цементит) и вторичного цементита. Эвтектический чугун состоит только из ледебурита (перлит + цементит). Заэвтектический чугун состоит из первичного цементита, имеющего форму пластин, и ледебурита (перлит + цементит).

          Область Fe–Fe₃C применения – широко применяется в строительстве, всех видах машино- и приборостроения, в инструментальном производстве. 

3. Процесс волочения. Оборудование, применяемое при волочении

 

Волочение – процесс протягивания прутка через отверстие, размеры которого меньше, чем исходные размеры прутка. При этом длина прутка увеличивается, а поперечное сечение приобретает форму отверстия с одновременным уменьшением поперечного сечения. Волочение производят в холодном состоянии. Исходными материалами могут быть горячекатаный пруток, сортовой прокат, проволока, трубы. Волочением обрабатывают стали, цветные металлы и сплавы.

Этим способом получают проволоку, в том числе и с минимальным диаметром до 0,002 мм, прутки простой и сложной конфигурации сечения, тонкостенные трубы, в том числе и капиллярные, фасонные шпонки и др. Волочение применяют также для калибровки сечения и повышения качества поверхности обрабатываемого изделия.

Основной инструмент при волочении сплошных профилей – волоки (фильера) различной конструкции, а при волочении полых профилей – волоки и оправки к ним (рис. 1).

 

Рис. 1. Сферическая входная часть волоки: I – смазывающий конус; II – деформирующий конус; III – калибрующий поясок; IV – выходной конус

Волока 1 закрепляется в обойме 2, которая затем крепится на жесткой волочильной доске. Волока работает в сложных условиях – большое напряжение сочетается с износом при протягивании. Поэтому их изготавливают из твердого металлокерамического сплава, состоящего из карбидов вольфрама, титана, бора и др. Для получения особо точных профилей волоки изготавливают из алмазов. Волоки имеют сложную конфигурацию: входная часть обычно выполняется сферической, затем располагается смазывающий конус (I), за ним деформирующий (II) с углом в вершине α.

Угол а зависит от твердости обрабатываемого материала, от сечения заготовки, а также от коэффициента контактного трения и составляет 8–24^о.

За деформирующей частью располагаются цилиндрический калибрующий поясок (III) и выходной конус (IV).

Волочение осуществляют на волочильных станах, состоящих из тянущего устройства и волочильного инструмента. По типу тянущего устройства волочильные станы подразделяются на станы с прямолинейным движением протягиваемого материала (ценной, реечный, гидравлический) и с наматыванием его на барабан (барабанный тип). Станы барабанного типа применяются в основном для получения проволоки, редко для сплошных и полых профилей и только для тех случаев, когда изгиб при наматывании на барабан не нарушает формы поперечного сечения.

 

На рис. 2 приведена схема стана цепного типа. Основными элементами его являются станина 1, механизм перемещения тележки 5, бесконечная цепь 4, тележка с захватом 3, стойка для крепления инструмента – волоки 2. Длина протягиваемого изделия на ценных станах ограничивается длиной станины и обычно не превышает 15 м. Скорость волочения на цепных станах довольно значительна – до 2 м/с.

Барабанные станы в зависимости от назначения могут быть однобарабанные (однократные) и многобарабанные (рис. 3). Первые применяют при волочении толстой проволоки диаметром 4–25 мм и иногда труб; при волочении труб диаметр намоточного барабана увеличивают с 450 мм до 2000 м. Скорость волочения в этом случае также составляет 1,5–2 м/с.

 

 

Рис. 3. Схема стана барабанного типа: 1 – волочильная доска; 2 – натягивающее устройство; 3 – барабан

 

В станах многократного волочения обработка происходит последовательно в нескольких волоках: протягиваемый профиль при выходе из одной волоки наматывается на барабан и поступает в спеющую волоку и т.д. Многократный стан может иметь до 30 волок, скорость волочения может достигать 20 м/с. Если привод на все барабаны один, то в этом случае скорость вращения барабанов должна быть возрастающей в соотношении, обеспечивающем постоянство секундного объема.

Заготовки перед волочением подвергают термической обработке для снятия наклепа и придания металлу необходимых пластических и прочностных характеристик. Непосредственно перед волочением заостряют конец заготовки, удаляют окалину механическим, химическим или электролитическим методами, промывают и наносят подсмазочный слой, который должен удерживать смазку и предохранять рабочую поверхность волок от налипания металла.

Подсмазочный слой может быть различным: тонкий слой гидроксида железа Fе(ОН)_n, медный, фосфатный, известковый и др. Перед каждой фильерой поверхность заготовки смазывают для уменьшения трения металла о ее стенки.

Степень деформации при волочении обычно не превышает 30–35%. Коэффициент вытяжки при этом составляет за один проход μ = 1,25–1,45 и определяется из условия допустимого усилия волочения.

В случае несоблюдения этого условия напряжения это может привести к местному течению металла и изменению сечения заготовки. При необходимости получить большую величину деформации производят многократное волочение. В этом случае полученный в процессе предыдущих операций наклеп снимают отжигом, затем проводят все подготовительные операции и повторяют процесс до получения изделия нужного сечения.

Волочение обеспечивает высокую точность размеров, малую шероховатость поверхности, большую степень упрочнения. Изделия после волочения как правило, механически не обрабатывают.