Вопросы для самопроверки

1. Что такое концентраторы напряжений и почему они опасны?

2. Чем отличаются истинные напряжения от условных?

3. Что происходит в металле при упругой деформации?

4. Как протекает пластическая деформация? Какие стадии можно отметить в процессе деформации металла?

5. Чем отличается упругая деформация от пластической?

6. Как изменяется структура металла в процессе пластической деформации?

7. Чем объяснить упрочнение металла (наклеп) в процессе деформации?

8. Что предопределяет сверхпластичность металлов и сплавов?

9. Что такое предел выносливости и как его определяют?

10. Как меняется предел выносливости при переходе от гладких образцов к образцам с надрезом?

11. Что такое вязкость, ударная вязкость КС и хрупкость металла? Какие образцы применяют для испытания на удар?

12. Что такое прочность, пластичность и упругость материалов (металлов)? Какими параметрами они описываются?

13. Какие состояния металла характеризуют такие свойства, как хрупкость и жесткость? Чем определяется жесткость металла?

14. Что такое твердость материала (металла)? Какие численные значения имеет данный параметр у некоторых широко известных металлических материалов?

15. Какие Вы знаете методы определения твердости и когда их применяют?

16. Как связано число твердости НВ с временным сопротивлением _в?

17. Какими методами определяют порог хладноломкости и как знание температурного запаса вязкости можно использовать на практике?

18. Перечислите известные методы исследования структуры и свойств металлов. Кратко охарактеризуйте каждый из них.

19. Почему испытания на растяжение по сравнению с другими видами контроля применяют наиболее широко?

20. Что больше - KCU,KCVили КСТ одного и того же материала? Почему?

21. В каком случае будет меньше разность между KCV и КСТ — у пластичного или у хрупкого материала?

22. В каких случаях применяют испытания на статический изгиб?

23. Что такое текстура деформации и как она влияет на свойства металла?

1.7. Влияние температуры на структуру и свойства металлов

1.7.1. Диффузия ядер в металлах

Многие процессы, протекающие в металлах (кристаллизация, фазовые превращения и др.), особенно при высоких температурах связаны с диффузией.

Под диффузией понимают перемещение ядерных остовов в кристалле на расстояния, превышающие средние межатомные для данного вещества.Если трансформация атомов не связана с изменением концентрации диффундирующего вещества в отдельном объеме, то это самодиффузия.

Процесс диффузии ядер в металлах вызван тем, что в кристаллах они при любой температуре постоянно движутся – колеблются. Колебания сопровождаются обменом энергии между частицами. При этом отдельные ядерные остовы приобретают достаточно высокий запас энергии и амплитуду своих колебаний, что они смещаются со своих мест.

Различают несколько механизмов диффузии: обменный, циклический, межузельный и вакансионный (рис. 1.63).

Рис. 1.63 – Модель механизмов диффузии: а - обменный, б - циклический, в – межузельный, г – вакансионный

Реализация того или иного механизма зависит от энергии активации Е_а(Q). Поэтому термодинамически выгодным будет тот механизм, в котором энергия активации минимальна. Величина энергетического барьера зависит от сил межатомной связи и дефектов кристаллической решетки, которые облегчают диффузионные процессы (Е_а по границам зерен вдвое меньше, чем в их объеме). Для металлов наиболее приемлемым является вакансионный механизм. Он заключается в том, что атом обменивается местами с вакансией. В этом случае атом, обладающий повышенной энергией и амплитудой колебаний, перемещается из узла или с поверхности кристалла на место вакансии, а образовавшиеся пустоты стремятся занять соседние атомы.

Процесс диффузии описывается двумя законами, получившими название первого и второго законов Фика.

Первый закон читается следующим образом: изменение количества диффундирующего вещества в единицу времени пропорционально градиенту концентрации, коэффициенту диффузии и единице поверхности и записывается формулой (1.8), где m– масса вещества, г;t– промежуток времени, мин;D– коэффициент диффузии;S– площадь поверхности диффузии;dc/dx– градиент концентрации, г/мм. Знак минус говорит о том, что процесс протекает в направлении обратном изменению концентрации, т. е. из зоны с большей в область с меньшей.

dm/dt = - D·dSdc/dx, (1.8)

Второй закон был выведен из первого при допуске, что коэффициент диффузии не зависит от концентрации, т. е. он справедлив для самодиффузии и записывается согласно выражению (1.9).

dc/dt=D·d²c/dx²(1.9).

Коэффициент диффузии D(см²/с) имеет следующий физический смысл.Это количество диффундирующего вещества через единицу площади (1, см²) в единицу времени (1, с) при изменении концентрации, равной 1.Он зависит от природы металла, размеров его зерен в кристаллической решетке и наиболее сильно от температуры.

С. Аррениус вывел экспоненциальную зависимость коэффициента диффузии от температуры, описываемую формулой (1.10), где Q– энергия активации диффузии,R– газовая постоянная, Т – температура иD₀– предэкспоненциальный множитель, величина которого определяется типом кристаллической решетки металла.

D=D₀e^-Q/RT, (1.10)

Для совершения элементарного акта диффузии атом должен осилить энергетический барьер. Средняя тепловая энергия атома значительно меньше энергии активации, необходимой для преодоления барьера при переходе атомов из одного состояния в другое. Требуемый для этого избыток энергии приобретается частицей от ее соседей при их столкновениях, в которых осуществляется обмен кинетической энергией. Энергия активации очень сильно влияет на коэффициент диффузии, так как она является показателем степени в уравнении.

Наиболее легко диффузия протекает по поверхности и границам зерен, где сосредоточены дефекты кристаллической решетки металлов.