ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Структурные характеристики материалов из "Сопротивление материалов " Наиболее распространенным в технике материалом является металл. Свойствами металлов, их внутренним строением специально занимаются такие разделы науки, как физика металлов, в которой разрабатываются теоретические основы строения металлов в связи с различными их физическими свойствами (электропроводность, теплопроводность и т. д.), а также металловедение и металлография, в большей мере занимающиеся технологическими процессами производства металлов и их сплавов. [c.13] В большинстве металлов кристаллические решетки бывают трех типов кубическая объемно-центрированная решетка, кубическая гране-центрированная решетка и гексагональная решетка. [c.13] В элементарной ячейке кубической объемно-центрированной решетки атомы располагаются в вершинах куба и в его центре (рис. 2, а). Такая решетка имеет один характерный линейный размер, называемый параметром решетки,— длину ребра куба а. [c.13] Атомы в кубической гранецентрированной решетке располагаются в вершинах куба и в центрах граней (рис. 2, б). Этот тип решетки также определяется одним параметром—длиной стороны куба а. [c.13] Элементарная ячейка гексагональной решетки представляет собой правильную шестигранную призму со стороной основания а и высотой с, причем величины а и являются двумя параметрами, характеризующими этот тип решетки. Атомы в этой элементарной ячейке расположены в каждой вершине призмы, в центрах оснований призмы и, кроме того, три атома находятся в центрах трех несоседних трехгранных призм, на которые можно разбить шестигранную призму тремя диагональными плоскостями, проходящими через ось призмы (рис. 2, в). [c.13] Линейные параметры решеток а имеют величину порядка 2- -5а(1А=10 см). Например, для железа модификации у (см. далее) а = 3,56 А, для железа модификации а параметр а = 2,86 А, для меди а = 3,61 А, для алюминия д = 4,04 А. Если учесть, что атомы имеют линейный размер (диаметр) того же порядка, то окажется, что атомы довольно плотно заполняют элементарную ячейку. Поэтому иногда атомы в решетке изображают в виде шаров, плотно прилегающих друг к другу. Плотность упаковки решетки в целом и интенсивность межатомных связей можно характеризовать координационным числом — числом атомов, одинаково удаленных от данного чем больше координационное число, тем меньше в решетке места, не заполненного атомами. [c.14] Базисом элементарной ячейки называется число атомов, относящееся к этой ячейке. [c.14] Дело в том, что, например, в объемно-центрированной решетке (рис. 2, а) нельзя и атом А и атом D отнести к изображенной ячейке, так как они одновременно являются узловыми элементами соседних ячеек. Чтобы выяснить, какое число атомов приходится на одну элементарную ячейку, дадим всем атомам одинаковые небольшие перемещения, параллельные, например, диагонали АВ (или вообще в направлении, не лежащем в граничной плоскости ячейки). Тогда все атомы выйдут за пределы ячейки, кроме атомов Л и О. Это показывает, что базис кубической объемно-центрированной решетки равен 2. Базис кубической гранецентрированной решетки равен 4. [c.14] В кристаллической решетке можно провести ряд плоскостей, содержащих то или иное число атомов на единицу площади. Наибольший интерес с точки зрения прочности материала представляют те плоскости, в которых расположено наибольшее число атомов (например, плоскость AB D рис. 2, а). По этим плоскостям, называемым плоскостями скольжения или спайности, легче всего происходит сдвиг частиц при механическом воздействии на тело. По плоскостям спайности происходит отрыв частиц при хрупком разрушении. [c.15] Геометрически правильное расположение атомов в кристаллической решетке определяет анизотропию монокристалла, т. е. различие его свойств (электропроводности, теплопроводности, оптических свойств, прочностных характеристик) в разных направлениях. Например, для монокристалла меди разрушающая нагрузка, отнесенная к единице площади, при воздействии растягивающей силы в разных направлениях изменяется от 12 до 35 KzjMM , т. е. в три раза, а удлинение при разрыве, отнесенное к первоначальной длине, изменяется от 10 до 50%, т. е. в пять раз. Следовательно, анизотропия кристаллического тела — существенное свойство по отношению к механическим характеристикам материала. [c.15] В реальных кристаллах всегда обнаруживаются нарушения правильности структуры искажение решеток, искривление плоскостей скольжения, наличие незамещенных атомами вакантных мест . Наличие этих изъянов, например пустот в монокристалле, обнаружено с помощью электронного микроскопа. Не вдаваясь в объяснение причин таких искажений, отметим, что эти нарушения объясняют некоторые механические эффекты. Например, наличие вакантных мест , дырок облегчает пластическую деформацию, связанную со сдвигом одного ряда (плоскости) атомов относительно другого ряда. [c.15] Металлы, с которыми мы обычно имеем дело, представляют собой поликристаллические тела, получающиеся из слитков, которые образуются при затвердевании расплавленного металла вследствие охлаждения и затем подвергаются термообработке. Все такие тела имеют зернистую структуру, т. е. состоят из множества зерен неправильной формы, причем в первом приближении каждое зерно можно рассматривать как монокристалл, а взаимную ориентацию кристаллов соседних зерен считать случайной и зависящей главным образом от направления роста кристаллов из различных центров кристаллизации (рис. 3). [c.15] В зависимости от режима затвердевания расплава и от термообработки зерна получаются для одного и того же металла различных размеров, что сказывается на механических свойствах металла. В мелкозернистой стали характерный средний размер каждого зерна составляет 0,01—0,1 мм, в крупнозернистой стали — до 0 мм. Обычно более прочными оказываются металлы с мелкозернистой структурой. [c.16] У каждого металла при данном режиме затвердевания и термообработки размеры зерен в среднем одинаковы. Таким образом, наряду с параметрами кристаллической решетки в металле имеется еще один характерный размер — средний размер зерна d, соответствующий определенному режиму термообработки. [c.16] Различные модификации данного металла имеют несколько различные физические свойства. Например а (р)-модификация железа не обнаруживает магнитных свойств, тогда как в а-модификации проявляются известные всем магнитные свойства железа. [c.17] Указанные выше характерные линейные размеры структуры металла — параметр решетки а и средний размер зерна d — позволяют уточнить порядок перехода от рассмотрения металлического тела как состоящего из малых дискретных частиц к рассмотрению его как сплошного тела, с применением к нему анализа бесконечно малых. Для этого важно установить еще один характерный линейный размер—параметр ориентации зерен. [c.17] Зерна в металле, полученном при определенном режиме термообра ботки, имеют, как уже говорилось, примерно одинаковый (в среднем) характерный линейный размер d. Но ориентация зерен, вообще говоря, случайна и потому хаотична, если не были применены специальные виды обработки, в большей или меньшей степени упорядочивающие ориентацию зерен. [c.17] Поставим себе задачу определить, как часто будут встречаться одинаково ориентированные зерна, если идти в каком-нибудь зaдaннo s направлении, т. е. как велико среднее расстояние между одинакова ориентированными зернами. [c.18] МИ равно бесконечности. Однако надо иметь в виду, что всякий практический расчет ведется не с абсолютной точностью, а с некоторой погрешностью. Например, современная квантовая механика не позволяет при изучении атома одновременно точно определять и положение частицы (электрона) и ее скорость. [c.19] В тех инженерных расчетах, с которыми обычно имеют дело в сопротивлении материалов, допускается погрешность в 5—Поэтому в поставленной выше задаче нет смысла считать одинаково ориентированными только те зерна, у которых векторы z строго коли-неарны, а оси х и х параллельны (ф = 0). Будем считать одинаково ориентированными все те зерна, для которых отклонение по ф от заданного угла ф не превышает некоторой величины Дф, а отклонение ориентирующего вектора z от вектора z находится в пределах телесного угла До) (рис. 5, в). Величины Дф и Дсо, которые будем называть допускали по ф и по (О, выбираются сообразно точности всех последующих расчетов и точности тех физических законов, которые будут в дальнейшем использованы. [c.19] Вернуться к основной статье