Структура и свойства материалов

     Таким образом, повышение прочности металлов и сплавов может быть достигнуто двумя путями: 1) получением металлов с близким к идеальному строением кристаллической решетки, т. е. металлов, в которых отсутствуют дефекты кристаллического строения или же их число крайне мало; 2) либо, наоборот, увеличением числа структурных несовершенств, препятствующих движению дислокаций.  

     ПОВЕРХНОСТНЫЕ ДЕФЕКТЫ

     Поверхностные 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 ориентировку решеток. Блоки повернуты друг по отношению к другу на угол от нескольких секунд до нескольких минут, их размер 10–5 см. Фрагменты имеют угол разориентировки не более 5°. Если угловая разориентировка решеток соседних зерен меньше 5°, то такие границы называются малоугловыми границами. Такая граница показана на рис. 4.7. Все субзеренные границы (границы фрагментов и блоков) — малоугловые. Строение границ зерен оказывает большое влияние на свойства металла.

     Рис. 4.7. Схема малоугловой границы между блоками

     На  рис. 4.8 показано, что границы зерен и фаз могут совпадать (когерентные), совпадать частично (полукогерентные) и не совпадать (некогерентные).

     Граница между зернами представляет собой  узкую переходную зону шириной 5–10 атомных расстояний с нарушенным порядком расположения атомов. В граничной зоне кристаллическая решетка одного зерна переходит в решетку другого (рис. 4.9). Неупорядоченное строение переходного слоя усугубляется скоплением в этой зоне дислокаций и повышенной концентрацией примесей. 

     . 

      Рис. 4.8. Схема межфазных границ:

     а) когерентные; б) полукогерентные; в) некогерентные 

      Рис. 4.9. Схема строения зерен и границ между ними 

     Плоскости и направления скольжения в соседних зернах не совпадают. Скольжение первоначально  развивается в наиболее благоприятно ориентированных зернах. Разная ориентировка систем скольжения не позволяет дислокациям переходить в соседние зерна, и, достигнув границы зерен, они останавливаются. Напряжения от скопления дислокаций у границ одних зерен упруго распространяются через границы в соседние зерна, что приводит в действие источники образования новых дислокаций (источники Франка—Рида). Происходит передача деформации от одних зерен к другим, подобно передаче эстафеты в легкоатлетических соревнованиях

     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. Это определение условно, так как действительная форма зерна в металлах меняется в широких пределах — от нескольких микрометров до миллиметров. Размер зерна оценивается в баллах по специальной стандартизованной шкале и характеризуется числом зерен, приходящихся на 1 мм2 поверхности шлифа при увеличении в 100 раз (рис. 4.10).

     Рис. 4.10. Шкалы для определения величины зерна (ГОСТ 5639-82) 

     Процесс пластического течения, а, следовательно, и предел текучести зависят от длины свободного пробега дислокаций до «непрозрачного» барьера, т. е. до границ зерен металла. Предел текучести sТ связан с размером зерна d уравнением Холла—Петча: sТ = sо + kd–1/2, где sо и k — постоянные для данного металла. 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. Повышенные пластичность и вязкость обусловлены более однородным составом и строением мелкозернистого металла, отсутствием в нем крупных скоплений, структурных несовершенств, способствующих образованию трещин

     Рост  зерен аустенита эффективно затрудняет дисперсные частицы второй фазы —  карбидов, нитридов, неметаллических  включений. Частицы нитрида AlN, содержащиеся в спокойных сталях, раскисленных алюминием, препятствуют росту аустенитных зерен.

     В легированных сталях рост зерен аустенита  тормозится карбидами и карбонитридами легирующих элементов V, Ti, Nb, микродобавки которых в количестве около 0,1 % специально вводят в стали с целью сохранения мелкого зерна аустенита вплоть до 1000 °С. Использование этих элементов одновременно обеспечивает мелкозернистую структуру и снижение критической температуры хрупкости.

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

     5. Каковы основные требования, предъявляемые  к конструкционным материалам? 

     В общем случае конструкционные материалы должны обладать высокой конструкционной прочностью, хорошей технологичностью, экономичностью и быть недефицитными.

     При  выборе  же  материалов  в  продовольственном  машиностроении, помимо   общих   требований   необходимо   предусматривать   их   высокую коррозионную   стойкость   в   условиях   воздействия   пищевых   сред   при повышенных температурах и давлениях, а также действие на них моющих и дезинфицирующих сред. Ещё одним обязательным требованием является проходимость учета токсичности материалов и продуктов их коррозии при контакте  с   пищевыми  средами,  учёт текущих  и  отдалённых  вредных воздействий этих компонентов на организм человека и на органолептические свойства пищевых продуктов (цвет, запах, вкус).

     Рассмотрим  сначала перечень основных физико-механических свойств конструкционных материалов.

     Конструкционная прочность - это комплекс свойств, обеспечивающих длительную и надёжную работу изделия  в конкретных условиях эксплуатации, -на объединяет такие понятия, как  прочность (сопротивление материала а отеческой деформации), надёжность (сопротивление материала хрупкому разрушению) и долговечность (способность материала работать в течение заданного времени).

     В   зависимости   от   условий   эксплуатации   изделий,   в   комплексе характеристик, определяющих конструкционную прочность, превалируют те или иные свойства и их сочетания.