11. Влияние дефектов на свойства материалов

Влияние дефектов строения на свойства материалов огромно. Например, прочность реальных кристаллов на сдвиг из-за наличия дефектов строения уменьшается на три-четыре порядка по сравнению с той же характеристикой идеального кристалла. Влияние дефектов строения на прочностные характеристики металлов не однозначно. Из представленной на рис. 3 зависимости видно, что прочность практически бездефектных кристаллов (так называемых «усов») очень высока. Увеличение количества п дефектов строения в 1 см3 приводит к резкому снижению прочности (ветвь А). Точка Рк характеризует прочность металлов, которые принято называть «чистыми». Дальнейшее увеличение дефектов, например, введением легирующих примесей или методами специального искажения кристаллической решетки повышает реальную прочность металлов (ветвь В). Для создания наиболее прочных материалов стараются получить оптимальное количество дефектов. Наибольшее упрочнение достигается при плотности дислокаций 1012-1013 на 1 см3.

Р ис. 3. Зависимость прочности кристаллического тела от плотности дефектов строения

Рис. 4. Виды кристаллических решеток сплавов:

а - твердый раствор замещения; б - твеплый раствор внедрения; , в - химическое соединена

Кроме влияния на прочностные характеристики дефекты решетки играют большую роль в процессах диффузии и самодиффузии, которые во многом определяют скорости протекания химических реакций в твердом теле, а также ионную проводимость кристаллов. Дефекты кристаллической решетки, распределенные необходимым образом по объему кристалла, позволяют создавать в одном образце области с различными типами проводимости, что является необходимым при изготовлении некоторых полупроводниковых элементов.

В технике значительно чаще применяют не чистые металлы, а сплавы, состоящие из двух или нескольких элементов, называемых компонентами. В качестве компонентов сплавов могут быть как чистые элементы, так и химические соединения. Широкое применение сплавов в качестве машиностроительных материалов можно объяснить тем, что они обладают разнообразным комплексом свойств, которые могут быть направленно изменены в зависимости от количества и вида компонентов, а также с помощью термической или других видов обработки. При сплавлении компоненты образуют в сплаве фазы -однородные объемы, разограни-ченные друг от друга поверхностями раздела - границами, при переходе через которые свойства могут изменяться скачкообразно. В сплавах образуются следующие основные фазы: твердые растворы, химические соединения и механические смеси.

Твердые растворы являются наиболее распространенной фазой в металлических сплавах. Характерной особенностью их строения является сохранение кристаллической решетки металла-растворителя. Растворенные металлы могут быть распределены в ней в виде твердого раствора замещения (рис. 4, а) в том случае, если у обоих компонентов однотипные решетки, достаточно близкие атомные радиусы и физико-химические свойства, или в виде твердого раствора внедрения (рис. 4, б), если атомный радиус растворенного компонента достаточно мал.

Химические соединения обычно образуются между металлами и неметаллами и обладают свойствами неметаллических включений, а также между металлами. При этом образуется новый тип кристаллической решетки, отличной от решеток составляющих компонентов и обладающий другими свойствами (рис. 4, в). При сплавлении компонентов с весьма различными атомными радиусами и электрохимическими свойствами взаимная растворимость практически отсутствует. В этом случае образуется механическая смесь кристаллов компонентов.

Форма кристаллов, в виде которых находятся разные фазы в сплаве, определяет структуру сплава. Как правило, в многокомпонентных металлических сплавах можно одновременно встретить три вида фаз. Вероятность появления дефектов кристаллического строения у сплавов существенно выше, чем у однородного металла. Направленным изменением сочетания компонентов в сплавах можно изменять количество дефектов строения и, следовательно, управлять физико-механическими характеристиками.

При выборе материала для конструкции исходят из комплекса свойств, которые подразделяют на механические, физико-химические, технологические и эксплуатационные. К основным механическим свойствам относят прочность, пластичность, ударную вязкость, усталостную прочность, ползучесть, твердость и износостойкость.

Р ис. 5. Испытания для определения механических характеристик:

а - предела прочности и пластических характеристик; 6 - ударной вязкости; в - твердости (по Бринеллга)

Под прочностью понимают способность материала сопротивляться деформации или разрушению под действием статических или динамических нагрузок. При статических нагрузках производят испытания на растяжение, сжатие, изгиб и кручение. Показателем прочности является предел прочности (рис. 5, а).

г де Р - нагрузка, необходимая для разрушения стандартного образца, МН; Fa - площадь поперечного сечения образца, ма.

Прочность при динамических нагрузках определяют по данным испытаний: на ударную вязкость - разрушением ударом стандартного образца на копре, на усталостную прочность - определяя способность материала выдерживать, не разрушаясь, большое число повторно-переменных нагрузок, на "ползучесть - определяя способность нагретого материала медленно и непрерывно деформироваться при постоянных нагрузках. Наиболее часто применяют испытания на ударную вязкость, показателем которой является (рис. 5, б)

г де А - работа, затраченная на разрушение образца, МНм; A e=PH-Ph, здесь Р-вес маятника, МН; F- поперечное сечение разрушаемого образца, м2.

Пластичность - это свойство твердых материалов изменять без разрушения форму и размеры под влиянием нагрузки или напряжений, устойчиво сохраняя образовавшуюся форму и размеры после прекращения этого влияния. Пластичность определяется максимальным относительным удлинением 6 образца при разрыве:

г де 1- длина образца после разрыва, 10 - первоначальная длина образца (рис. 5, а).

Твердость - это способность материала сопротивляться проникновению в него другого тела, например, стального шарика при испытании на твердость по Бринелю (НВ). Показателем твердости является (рис. 5, в)

г де Р - нагрузка на шарик, МН; F - площадь отпечатка, полученного на материале, м2.

Износостойкость -способность материала сопротивляться поверхностному разрушению под действием внешнего трения.

К физико-химическим свойствам материалов относятся температура плавления, плотность, электро- и теплопроводность, коэффициенты линейного и объемного расширения, способность к химическому взаимодействию с агрессивными средами, а также антикоррозионные свойства. Перечисленные свойства во многом определяются химическим составом компонентов сплава и их структурой.