Введение 5 Кристаллическое строение вещества icon

Введение 5 Кристаллическое строение вещества


НазваниеВведение 5 Кристаллическое строение вещества
страница1/5
Дата публикации18.04.2013
Размер0.85 Mb.
ТипРеферат
  1   2   3   4   5

ЕЗЖЕВ А.С.


ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ


ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ


МОСКВА

МГТУ им. Н.Э. Баумана


2002


ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ


ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ

Содержание Стр.


Введение 5

1. Кристаллическое строение вещества

1.1. Понятие кристаллической решетки. Модель кристалла 6

1.2. Типы кристаллической решетки, явление полиморфизма 9

1.3. Параметры решетки, базис, координационное число 10

1.4. Плотность упаковки атомов в решетке 11

^ 2. Индексация плоскостей и направлений

в кристаллической решетке

2.1. Индексация плоскостей 12

2.2. Индексация направлений 15

3. Точечные дефекты кристаллической решетки

3.1. Понятие кристаллической структуры, моно и поликристаллы 16

3.2. Вакансии, дислоцированные и примесные атомы 17

3.3. Движение атомов в кристалле, механизмы диффузии 19

^ 4. Деформация монокристалла

4.1. Понятие напряжения и деформации 21

4.2. Механизм сдвиговой деформации 22

4.3. Напряжение сдвига атомных плоскостей 24

5. Дислокации

5.1. Понятие дислокации 26

5.2. Механизм перемещения дислокации 27

5.3. Плотность дислокаций 29

5.4. Краевая дислокация 28

5.5. Винтовая дислокация 29

5.6. Смешанная дислокация 32

5.7. Контур и вектор Бюргерса 33

5.8. Размножение дислокаций при пластическом деформировании 34

^ 6. Холодная пластическая деформация поликристалла

6.1. Система скольжения 39

6.2. Внутрикристаллитная и межкристаллитная деформация 40

6.3. Нанокристаллические материалы 40

6.4. Полосчатость микроструктуры, текстура, остаточные напряжения 44

6.5. Упрочнение при холодной деформации 46

6.6. Понятие напряжения текучести, степени деформации, кривые

упрочнения 47

^ 7. Деформация при повышенных температурах

7.1. Возврат и рекристаллизация 51

7.2. Диаграмма рекристаллизации 52

7.3. Виды деформации при обработке давлением 54

^ 8. Основные понятия и законы деформирования

8.1. Закон наименьшего сопротивления 55

8.2. Закон постоянства объема. Смещенный объем. 57

Скорость деформации

8.3. Закон неравномерности деформации и дополнительных 61

напряжений

8.4. Закон подобия и моделирования процессов обработки давлением 64

^ 9. Контактное трение

9.1. Понятие контактного касательного напряжения. 66

Парность сил трения

9.2. Виды трения. Сухое, жидкостное и граничное трение 67

9.3. Граничные условия. Законы Амонтона-Кулона и Зибеля 70

9.4. Основные факторы, влияющие на контактное трение 72

9.5. Активные силы трения 73

Заключение 75


ЛИТЕРАТУРА 76





Введение

При изготовлении любой детали методами обработки давлением разрабатывается технологический процесс, который устанавливает количество и содержание переходов, последовательно приближающих форму заготовки к форме готовой детали. При этом следует иметь в виду, что к одному и тому же результату можно прийти разными путями, т.е. технологический процесс в обработке давлением может быть многовариантным.

Выбор варианта - ответственный этап в работе технолога. В конечном итоге от того, как разработан технологический процесс, зависит эффективность производства детали - максимальная производительность и стойкость инструмента при минимальных отходах материала, капитальных вложениях и энергозатратах.

Назначение оптимальных с точки зрения эффективности процесса в целом формоизменяющих переходов базируется на знании законов пластического течения металла, его напряженного и деформированного состояния в конкретных условиях обработки, допустимых степеней деформации и др.

Студенты, обучающиеся по специальности «Машины и технология обработки металлов давлением», изучают эти вопросы в курсе «Физико-математическая теория ковки и штамповки», который состоит из двух основных частей. В первой части курса излагаются физические основы пластического деформирования, в частности, кристаллическое строение металла, взаимодействие составляющих его частиц, механизм их относительного смещения под действием приложенных внешних сил, даются понятия напряжения, степени и скорости деформации, рассматриваются основные физические законы и условия пластического деформирования. Вторая часть курса посвящена механике пластического деформирования, в которой математически разрабатываются вопросы напряженного и деформированного состояния металла, определяются величины и распределение напряжений в пластически деформируемом теле, условия перехода тела в пластическое состояние и т.д. Этот раздел является теоретической основой для расчета технологических процессов обработки давлением.

Целью настоящего учебного пособия является помощь студентам в изучении физических основ пластической деформации металла, т.е. по существу оно является первой частью курса « Физико-математическая теория ковки и штамповки ». Эта часть имеет самостоятельное значение, поскольку она позволяет наметить новые области изучения пластической деформации. Например, при формовании тел с нанокристаллической структурой.

Авторы выражают благодарность д.т.н., проф. Овчинникову А.Г., лекции которого по этому курсу были частично использованы при написании данного учебного пособия.


^ 1. Кристаллическое строение вещества

1.1. Понятие кристаллической решетки. Модель кристалла


Кристаллические вещества характеризуются тем, что составляющие их атомы расположены в определенном порядке, образуя пространственную решетку из повторяющихся геометрически правильных объемных ячеек. В направлении трех выбранных координатных осей расстояния между соседними атомами постоянно повторяются, в результате чего и образуется такая решетка. Таким образом, кристаллической решеткой вещества называется совокупность составляющих его атомов, расположенных в строгом порядке.





Пример кристаллической решетки показан на рис.1. Наименьшая часть кристаллической решетки, определяющая всю систему строения вещества, называется элементарной ячейкой. На рис. 2 показаны различные способы выбора элементарной ячейки. Кристаллическая решетка компонуется из любого типа показанных элементарных ячеек. Однако, для удобства расчетов предпочтительно использовать элементарную ячейку, выбранную в прямоугольной системе координат.

Кристаллические решетки разных веществ различаются по форме и размерам элементарных ячеек.

Упорядоченность кристаллической решетки является результатом взаимодействия межатомных сил. Именно взаимодействие этих сил устанавливает атомы в определенный порядок. Не будь такого взаимодействия, не было бы никакого порядка, и мы имели бы не кристалл, а газ.

Модель кристаллической решетки может быть представлена шарами, связанными между собой прямыми проволочками соответствующей длины. Шары представляют собой атомы, а проволочки - символы связей, замороженное взаимодействие между атомами. Такая модель дает хорошее представление о геометрии решетки, в ней отражены и порядок расположения атомов, и нарушения этого порядка, которые могут проявляться в дефектах кристаллической решетки. Однако, в ней нет никакого движения атомов и она ничего не говорит о их взаимодействии. Поэтому такую модель можно назвать «мертвой» моделью кристалла.

Английский физик Л. Брэгг предложил другую, «живую» модель кристалла, которая иллюстрирует не только взаимное расположение атомов, но и силы взаимодействия между ними [4]. Это так называемая пузырьковая модель. Если в тарелку с мыльной водой добавить несколько капель глицерина, опустить конец шприца, соединенного с источником постоянного давления воздуха, и соответствующим образом отрегулировать подачу воздуха, то на поверхность будут выходить совершенно одинаковые пузырьки, которые расположатся на ней в один слой в определенном порядке. Этот плавающий плот и есть двухмерная живая модель кристалла. Вид пузырьковой модели кристалла показан на рис. 3.



Мыльные пузырьки не безучастны друг к другу. Два разобщенных пузырька на поверхности воды друг к другу притягиваются, а соприкоснувшись - отталкиваются и устанавливаются на определенном расстоянии друг от друга. Чем это объясняется?

Известно, что любая изолированная система, на которую не действуют никакие внешние силы, стремится к минимуму своей потенциальной энергии. В нашем случае (см. рис. 4) каждый из пузырьков окружен областью, где уровень воды поднят над ее средним уровнем. Следовательно, потенциальная энергия системы увеличена, причем тем больше, чем большая масса воды и на большую высоту поднята. Степень поднятия убывает по мере удаления от центра пузырька. Если пузырьки удалены друг от друга на расстояние, при котором области поднятия жидкости вокруг каждого из пузырьков частично перекрываются, то их сближение уменьшает массу поднятой жидкости и, следовательно, потенциальную энергию. Поэтому и возникает сила притяжения, стремящаяся уменьшить потенциальную энергию системы.

После того, как пузырьки соприкоснутся, прижимающая их сила увеличит давление заключенного в них газа, и возникнет сила отталкивания. Равновесие сил притяжения и отталкивания установит пузырьки на определенном расстоянии друг от друга.

Силы взаимодействия здесь действуют точно также, как между атомами в кристаллической решетке.

Возвращаясь к решетке реального кристалла, можно сказать, что расположение атомов в узлах решетки соответствует их равновесному состоянию, которое характеризуется минимумом потенциальной энергии взаимодействия атома и взаимно уравновешенными силами притяжения и отталкивания от соседних атомов.

Графики сил, действующих на атом, и его энергии показаны на рис. 5.




F W

Fр Fот


0 а 0 а



Fпр

Wмин

ао ао

Рис.5


На графиках: ао - расстояние между атомами в их равновесном состоянии, Fпр - сила притяжения, Fот - сила отталкивания, Fр - результирующая сила, W- энергия, Wмин – минимальный уровень потенциальной энергии взаимодействия атомов.

На относительно больших расстояниях появляются силы притяжения Fпр,

быстро увеличивающиеся с уменьшением расстояния. На малых расстояниях возникают силы отталкивания Fот, которые с уменьшением расстояния увеличиваются значительно быстрее, чем силы Fпр. В результате, при а = ао результирующая сила взаимодействия Fр обращается в нуль, а энергия взаимодействия W достигает минимального значения.

Состояние устойчивого равновесия будет сохраняться до тех пор, пока энергия связи атомов будет выше по абсолютному значению энергии теплового движения атомов. Атомы кристалла не могут свободно покидать свои положения равновесия, т.к. при удалении от этих положений энергия частиц увеличивается, и появляются силы, стремящиеся вернуть их в положения равновесия. Единственно доступной для них формой движения является беспорядочное колебание около положений равновесия. Теоретически подсчитано, что, не меняя положения оседлости, атом за 1 с совершает 1012 - 1013 колебаний, проходя при этом путь протяженностью 103 – 104 см.

^ 1.2. Типы кристаллической решетки, явление полиморфизма


Если представить атомы в виде шаров, то особенности строения большинства кристаллических структур можно понять, рассматривая их как пространственную упаковку таких шаров. Обычно при этом исходят из плотнейшей упаковки шаров, при которой они соприкасаются друг с другом. Наиболее плотная упаковка одного слоя шаров одинакового диаметра показана на рис. 6.



В плоском слое каждый шар, например «А», окружен шестью другими шарами и, соответственно, шестью треугольными пустотами, три из которых типа «В» и три типа «С». Различие типов пустот состоит только в том, что пустоты типа «В» повернуты относительно пустот типа «С» на 600. На рисунке справа соответствующие пустоты обозначены крестиком и ноликом. Пространственные плотнейшие упаковки получаются из плоских, если производить укладку так, чтобы шары вышележащего слоя попадали в треугольные впадины между шарами нижележащего слоя. При этом каждый следующий слой относительно нижнего может быть ориентирован двояко: шары верхнего слоя укладываются либо в лунки «в», либо в лунки «с» нижнего слоя.

Если шары укладываются по схеме АВАВАВ или АСАСАС, где А – нижний слой, В – слой, уложенный в лунки «В», С – слой, уложенный в лунки «С», то образующаяся кристаллическая структура характеризуется ячейкой в виде шестигранной призмы, как показано на рис. 7, а [3].

Такая ячейка называется гексагональной плотноупакованной (ГПУ). Как видно из рисунка, на исходный слой «А» наложен второй слой так, чтобы шары этого слоя укладывались во впадины «В», третий слой снова занимал позиции «А», четвертый – снова позиции «В» и т.д. Если слои чередуются в последовательности АВСАВСАВС, т.е. повторяемость начинается только с четвертого слоя, то образуются ячейки в виде гранецентрированного куба (ГЦК), показанного на рис.7, б. Если укладывать шары с некоторым зазором, то по схеме укладки АВАВАВ можно получить структуру с ячейкой в виде объемноцентрированного куба (ОЦК), рис. 7, в.

Для большинства металлов характерны указанные три типа кристаллических решеток с ячейками ОЦК, ГЦК и ГПУ.





Некоторым твердым телам, в том числе и металлам, свойственны не одна, а две или более кристаллические структуры, устойчивые при различных температурах и давлениях. Такие структуры называют модификациями вещества, а переход от одной модификации к другой – полиморфным превращением. Явление полиморфизма состоит в том, что тепловые колебания атомов при повышении температуры настолько увеличивают энергию атомов, что они могут покидать места прежнего устойчивого равновесия и занимать

новые с образованием другой кристаллической решетки. Так, например, углерод существует в двух модификациях – графит и алмаз, которые при определенных условиях могут переходить друг в друга. Из металлов примерами могут быть a-Fe и b-Fe, a-Sn и b-Sn и т.д. Полиморфизм имеет исключительно важное практическое значение. Придание сталям различных свойств при их термической обработке, получение нержавеющих сталей, сообщение разнообразным сплавам необходимых свойств в значительной степени основаны на использовании явления полиморфизма.


    1. ^ Параметры решетки, базис, координационное число


В общем случае элементарная ячейка кристаллической решетки представляет собой наклонный параллелепипед (рис. 8).




Если поместить начало координат в одну из вершин ячейки, то расстояния а,b,c до ближайших вершин и углы a, b, g между координатными осями называют параметрами кристаллической решетки.

Параметры a, b, c выражаются в ангстремах 1А=10-8см (у металлов параметры решеток находятся в пределах 2-6 А.).

^ Базис решетки- это число атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку.

В объемно центрированной ячейке всего 9 атомов ( 8 по вершинам куба и 1 в центре). Однако каждый из угловых атомов принадлежит данной ячейке только на 1/8, т.к. он одновременно принадлежит 8 соприкасающимся ячейкам. Поэтому на ячейку приходится (8 х 1/8) + 1 = 2 атома. Базис ОЦК - 2 атома.

В гранецентрированной ячейке всего 14 атомов ( 8 по вершинам куба и 6 в центрах боковых граней ). Каждый угловой атом принадлежит ячейке на 1/8, каждый центральный атом – на 1/2 . Поэтому базис ГЦК ( 8 х 1/8) + ( 6 х 1/2 ) = 4 атома.
  1   2   3   4   5



Похожие:

Введение 5 Кристаллическое строение вещества iconВведение 5 Кристаллическое строение вещества
При этом следует иметь в виду, что к одному и тому же результату можно прийти разными путями, т е технологический процесс в обработке...
Введение 5 Кристаллическое строение вещества iconЭкзаменационные вопросы по дисциплине «Материаловедение. Технология конструкционных материалов»
Кристаллическое строение материалов. Элементарная кристаллическая ячейка. Типы кристаллических решеток
Введение 5 Кристаллическое строение вещества iconОтветы к 1 и 2 Вопросу Строение вещества
Хviii в и получила дальнейшее развитие в XIX в. Возникновение представлений о строении вещества позволило не только объяснить многие...
Введение 5 Кристаллическое строение вещества iconКонтрольная работа №1 по теме «Строение вещества»
Атом углерода имеет степень окисления -3 и валентность 4 в соединении с формулой
Введение 5 Кристаллическое строение вещества iconВещества построены из атомов и молекул. Атом электри-чески нейтрален и состоит из «+» ядра и «-» электронов, вращ по орбитам вокруг ядра. Атом, лишившийся валент-ного электрона, становится «+» ионом, а присоединивший лишний электрон «-» ионом
Строение вещества. Понятия нейтрального атома, положительного и отрицательного ионов. Виды химических связей между атомами и молекулами....
Введение 5 Кристаллическое строение вещества iconМеханика тема Кинематика
История атомистических учений. Наблюдения и опыты, подтверждающие атомно-молекулярное строение вещества. Масса и размеры молекул
Введение 5 Кристаллическое строение вещества iconРазпределение Мѣр Перехода
«уточнённость в направленности», «местопребывание в области», «половая принадлежность участка вещества», «количество участков вещества»,...
Введение 5 Кристаллическое строение вещества iconКожа Строение кожи
Строение кожи. Кожа — наружный покров организма. Общая площадь кожи взрослого человека составляет 1,5—2 учитывая происхождение, строение...
Введение 5 Кристаллическое строение вещества iconВещества
Установите соответствие между формулой гомологического ряда и названием вещества, принадлежащего к нему
Введение 5 Кристаллическое строение вещества iconСтроение и состав нуклеиновых кислот : Нуклеиновые кислоты- полимеры, полинуклеотиды
Цель урока: Закрепить знания по строению белковых молекул и их физическим и химическим свойствам. Изучить строение рнк и ДНК
Введение 5 Кристаллическое строение вещества iconТеоретические основы работы гелий-неонового лазера Введение
Этот эффект является результатом взаимо­действия электромагнитной волны с атомами вещества, через которое проходит волна. В 1962–1963...
Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Документы


При копировании материала укажите ссылку ©ignorik.ru 2015

контакты
Документы