Кристаллическое строение металлов

1. Курс МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Кафедра «Технология конструкционных материалов и
производство ракетно-космической техники»

2. Кристаллическое строение металлов

Кафедра «Технология конструкционных материалов и производство ракетно-космической техники»
Кристаллическое строение металлов
Кристаллическое строение вещества
Пространственно-кристаллическая решетка
Решетка объемноцентрированная кубическая (ОЦК)
Решетка гранецентрированная кубическая (ГЦК)
Решетка гексагональная плотноупакованная (ГП)
Точечные дефекты
Краевая дислокация
Винтовая дислокация
Границы зерен и субзерен
Схемы скольжения дислокаций
Контур и вектор Бюргерса краевой дислокации
Контур и вектор Бюргерса винтовой дислокации
2
БГТУ «ВОЕНМЕХ»

3. Кристаллическое строение вещества

Кафедра «Технология конструкционных материалов и производство ракетно-космической техники»
Кристаллическое строение вещества
Природные кристаллы: кварца-горного хрусталя (а) и топаза (б)
а)
б)
Схематическая модель расположения частиц в веществе
3
БГТУ «ВОЕНМЕХ»

4. Пространственно-кристаллическая решетка

Кафедра «Технология конструкционных материалов и производство ракетно-космической техники»
Пространственно-кристаллическая решетка
Основные характеристики кристаллической решетки
• углы между осями α, β, γ;
• периоды решетки a, b, c;
• число атомов, приходящееся на ячейку n;
• координационное число Z, равное числу
ближайших равноудаленных атомов
• коэффициент компактности К, равный
доле объема ячейки, занятой атомами:
4
БГТУ «ВОЕНМЕХ»

5. Решетка объемоцентрированная кубическая (ОЦК)

Кафедра «Технология конструкционных материалов и производство ракетно-космической техники»
Решетка объемоцентрированная кубическая (ОЦК)
r – наименьшее расстояние до
соседних атомов
Характеристики решетки
угол между осями
период решетки
число атомов на ячейку
координационное число
коэффициент компактности
α = β = γ = 90°;
a = b = c;
n = 2;
Z = 8;
К = 0,68
5
БГТУ «ВОЕНМЕХ»

6. Решетка гранецентрированная кубическая (ГЦК)

Кафедра «Технология конструкционных материалов и производство ракетно-космической техники»
Решетка гранецентрированная кубическая (ГЦК)
r – наименьшее расстояние до
соседних атомов
Характеристики решетки
угол между осями
период решетки
число атомов на ячейку
координационное число
коэффициент компактности
α = β = γ = 90°;
a = b = c;
n = 4;
Z = 12;
К = 0,74
6
БГТУ «ВОЕНМЕХ»

7. Решетка гексагональная плотноупакованная (ГПУ)

Кафедра «Технология конструкционных материалов и производство ракетно-космической техники»
Решетка гексагональная плотноупакованная (ГПУ)
Характеристики решетки
угол между осями
период решетки
число атомов на ячейку
координационное число
коэффициент компактности
α = β = 90°, γ = 120°;
a = b, c = 1,633;
n = 6;
Z = 12;
К = 0,74
7
БГТУ «ВОЕНМЕХ»

8. Точечные дефекты

Кафедра «Технология конструкционных материалов и производство ракетно-космической техники»
Точечные дефекты
Вакансия – это узел
кристаллической решетки
незанятый атомом или ионом.
Межузельный атом – атом,
расположенный в межатомном
пространстве кристаллической
решетки
Образование вакансии или
межузельного атома приводит
к локальному искажению
решетки кристалла
8
БГТУ «ВОЕНМЕХ»

9. Краевая дислокация

Кафедра «Технология конструкционных материалов и производство ракетно-космической техники»
Краевая дислокация
9
БГТУ «ВОЕНМЕХ»

10. Винтовая дислокация

Кафедра «Технология конструкционных материалов и производство ракетно-космической техники»
Винтовая дислокация
10
БГТУ «ВОЕНМЕХ»

11. Границы зерен и субзерен

Кафедра «Технология конструкционных материалов и производство ракетно-космической техники»
Границы зерен и субзерен
Малоугловые и большеугловые границы в Feγ
11
БГТУ «ВОЕНМЕХ»

12. Схемы скольжения дислокаций

Кафедра «Технология конструкционных материалов и производство ракетно-космической техники»
Схемы скольжения дислокаций
Схема движения краевой дислокации
Схема движения винтовой дислокации
12
БГТУ «ВОЕНМЕХ»

13. Контур и вектор Бюргерса краевой дислокации

Кафедра «Технология конструкционных материалов и производство ракетно-космической техники»
Контур и вектор Бюргерса краевой дислокации
13
БГТУ «ВОЕНМЕХ»

14. Контур и вектор Бюргерса винтовой дислокации

Кафедра «Технология конструкционных материалов и производство ракетно-космической техники»
Контур и вектор Бюргерса винтовой дислокации
14
БГТУ «ВОЕНМЕХ»

15. Диффузия в металлах

Кафедра «Технология конструкционных материалов и производство ракетно-космической техники»
Диффузия в металлах
Под диффузией понимают перемещение атомов в
кристаллическом теле на расстояния, превышающие средние
межатомные для данного вещества
Диффузия может осуществляться по вакансионному и
межузельному механизмам.
Диффузия сопровождается массопереносом.
15
БГТУ «ВОЕНМЕХ»

16. Кристаллизация металлов

Кафедра «Технология конструкционных материалов и производство ракетно-космической техники»
Кристаллизация металлов
Самопроизвольная кристаллизация. Схема процесса
кристаллизации
Самопроизвольная кристаллизация
Рост зародышевых центров
Строение слитка
16
БГТУ «ВОЕНМЕХ»

17. Самопроизвольная кристаллизация

Кафедра «Технология конструкционных материалов и производство ракетно-космической техники»
Самопроизвольная кристаллизация
Изменение свободной
энергии металла
Кривые охлаждения
при кристаллизации
Схема процесса кристаллизации
17
БГТУ «ВОЕНМЕХ»

18. Рост зародышевых центров

Кафедра «Технология конструкционных материалов и производство ракетно-космической техники»
Рост зародышевых центров
с образованием двумерного зародыша
Кинетика
кристаллизации
при наличии винтовой дислокации
Параметры кристаллизации
Ч.Ц. – число зародышевых центров,
возникающих в единице объема за единицу
времени
С.Р. – скорость увеличения линейных
размеров растущего кристалла
18
БГТУ «ВОЕНМЕХ»

19. Строение слитка

Кафедра «Технология конструкционных материалов и производство ракетно-космической техники»
Строение слитка
Схема дендритных
кристаллов
Схема макроструктуры слитка
19
БГТУ «ВОЕНМЕХ»

20. Механические свойства металлов

Кафедра «Технология конструкционных материалов и производство ракетно-космической техники»
Механические свойства металлов
Испытания на растяжение
Диаграмма условных напряжений
Испытания на растяжение
Измерения твердости по Бринеллю
Измерение твердости по Роквеллу
Испытания на выносливость
Испытания на ударный изгиб
Хрупкое внутризеренное разрушение (скол)
Вязкое внутризеренное разрушение
Межзеренное разрушение
20
БГТУ «ВОЕНМЕХ»

21. Испытания на растяжение

Кафедра «Технология конструкционных материалов и производство ракетно-космической техники»
Испытания на растяжение
Разрывной образец
до и после испытаний
Кривые растяжения
21
БГТУ «ВОЕНМЕХ»

22. Диаграмма условных напряжений

Кафедра «Технология конструкционных материалов и производство ракетно-космической техники»
Диаграмма условных напряжений
Условное напряжение:
P
F0
где – F0 исходная площадь
поперечного сечения образца
Относительная деформация:
l
l0
Характеристики прочности (МПа):
где l0 – начальная длина
Характеристики пластичности (%):
Предел пропорциональности – σпц.
Предел упругости – σупр.
Предел текучести – σт (σ0,2)
Предел прочности
(временное сопротивление) – σв
22
Относительное удлинение – δ
Относительное сужение – ψ
БГТУ «ВОЕНМЕХ»

23. Испытания на растяжение

Кафедра «Технология конструкционных материалов и производство ракетно-космической техники»
Испытания на растяжение
Предел пропорциональности – напряжение, при
котором отклонение от линейной зависимости
между нагрузкой и деформацией достигает
некоторой определенной величины
PПЦ
F0
Предел упругости – напряжение, при котором
остаточная деформация достигает заданной
величины.
Остаточная деформация выбирается от 0,05 до
0,005%
0,05
23
P0,05
F0
БГТУ «ВОЕНМЕХ»

24. Испытания на растяжение

Кафедра «Технология конструкционных материалов и производство ракетно-космической техники»
Испытания на растяжение
Физический предел текучести –
PТ
напряжение, при котором образец
Т
деформируется под действием
F0
неизменной нагрузки.
Предел прочности или временное
сопротивление – условное напряжение,
PMAX
В
соответствующее максимальному
F0
усилию, которое может выдержать
образец до разрушения.
Условный предел текучести (σ0,2 ) – напряжение, которому соответствует
остаточная деформация, равная 0,2%.
Относительное удлинение –
l К l0
где l0 – начальная длина образца
100%
l0
lК – конечная длина образца
Относительное сужение –
где F0 – исходная площадь поперечного
F0 FК
100%
сечения образца,
F0
FК – площадь поперечного сечения
образца в месте разрушения
24
БГТУ «ВОЕНМЕХ»

25. Измерения твердости по Бринеллю

Кафедра «Технология конструкционных материалов и производство ракетно-космической техники»
Измерения твердости по Бринеллю
Схема определения твердости по Бринеллю
Индентор – стальной закаленный шарик диаметром D, равным 10, 5
или 2,5 мм.
Нагрузка – от 2,5D2 до 30D2 (кГс)
Время выдержки под нагрузкой – 10, 30 или 60 секунд.
Число твердости по Бринеллю (HB) – отношение нагрузки к площади
поверхности сферического отпечатка Fотп
P
2Р
HB
FОТП D D D 2 d 2
25
БГТУ «ВОЕНМЕХ»

26. Измерение твердости по Роквеллу

Кафедра «Технология конструкционных материалов и производство ракетно-космической техники»
Измерение твердости по Роквеллу
Индентор – алмазный конус с
углом 120° при вершине или
стальной шарик диаметром 1,588
мм.
Р0 – предварительная нагрузка
(100Н)
Р1 – основная нагрузка.
Единица твердости по Роквеллу (HR) – безразмерная величина,
соответствующая осевому перемещению индентора на 0,002мм.
26
БГТУ «ВОЕНМЕХ»

27. Испытания на выносливость

Кафедра «Технология конструкционных материалов и производство ракетно-космической техники»
Испытания на выносливость
Схема нагружения –
изгиб с вращением
Кривые усталости
Цикл напряжений
Разрушение при усталости (схема)
27
БГТУ «ВОЕНМЕХ»

28. Испытания на ударный изгиб

Кафедра «Технология конструкционных материалов и производство ракетно-космической техники»
Испытания на ударный изгиб
Схема испытания
28
БГТУ «ВОЕНМЕХ»

29. Хрупкое внутризеренное разрушение (скол)

Кафедра «Технология конструкционных материалов и производство ракетно-космической техники»
Хрупкое внутризеренное разрушение (скол)
Хрупкое разрушение
Feα происходит по
плоскостям {100}
29
БГТУ «ВОЕНМЕХ»

30. Вязкое внутризеренное разрушение

Кафедра «Технология конструкционных материалов и производство ракетно-космической техники»
Вязкое внутризеренное разрушение
30
БГТУ «ВОЕНМЕХ»

31. Межзеренное разрушение

Кафедра «Технология конструкционных материалов и производство ракетно-космической техники»
Межзеренное разрушение
Хрупкое разрушение
Вязкое разрушение
31
БГТУ «ВОЕНМЕХ»

32. Пластическая деформация металлов, влияние нагрева на структуру и свойства деформированных металлов

Кафедра «Технология конструкционных материалов и производство ракетно-космической техники»
Пластическая деформация металлов, влияние нагрева
на структуру и свойства деформированных металлов
Деформация скольжением
Деформация двойникованием
Изменение микроструктуры при пластической
деформации
Текстура деформации
Пути повышения прочности металлов
Полигонизация
Рекристаллизация
Влияние нагрева на свойства деформированного
металла
32
БГТУ «ВОЕНМЕХ»

33. Деформация скольжением

Кафедра «Технология конструкционных материалов и производство ракетно-космической техники»
Деформация скольжением
Полосы скольжения в
деформированном алюминии
Плоскости и направления скольжения
33
БГТУ «ВОЕНМЕХ»

34. Деформация двойникованием

Кафедра «Технология конструкционных материалов и производство ракетно-космической техники»
Деформация двойникованием
Двойник
Плоскость двойника
Двойники деформации в кристалле цинка
34
БГТУ «ВОЕНМЕХ»

35. Изменение микроструктуры при пластической деформации

Кафедра «Технология конструкционных материалов и производство ракетно-космической техники»
Изменение микроструктуры при пластической
деформации
Исходная
структура
Увеличение степени деформации
Ячеистая дислокационная структура
деформированного металла
35
БГТУ «ВОЕНМЕХ»

36. Текстура деформации

Кафедра «Технология конструкционных материалов и производство ракетно-космической техники»
Текстура деформации
Преимущественная пространственная ориентировка кристаллической
решетки зерен называется текстурой
При интенсивном деформировании возникает текстура деформации
Текстура при волочении
36
БГТУ «ВОЕНМЕХ»

37. Пути повышения прочности металлов

Кафедра «Технология конструкционных материалов и производство ракетно-космической техники»
Пути повышения прочности металлов
37
БГТУ «ВОЕНМЕХ»

38. Полигонизация

Кафедра «Технология конструкционных материалов и производство ракетно-космической техники»
Полигонизация
Схема полигонизации
Изменение структуры при нагреве
Структура после
холодной деформации
Структура после
холодной деформации
38
БГТУ «ВОЕНМЕХ»

39. Рекристаллизация

Кафедра «Технология конструкционных материалов и производство ракетно-космической техники»
Рекристаллизация
Хрупкое разрушение
Вязкое разрушение
39
БГТУ «ВОЕНМЕХ»

40. Влияние нагрева на свойства деформированного металла

Кафедра «Технология конструкционных материалов и производство ракетно-космической техники»
Влияние нагрева на свойства деформированного
металла
Хрупкое разрушение
Вязкое разрушение
40
БГТУ «ВОЕНМЕХ»