Зернинна структура металів (стр. 1 из 4)
ЗМІСТ
Вступ
1. Аналітичний огляд джерел інформації
1.1 Зернинна структура металів. Роль зернинної структури, її вплив на властивості металів, сплавів і композитів
1.2 Закономірності формування зернинної структури в металевих матеріалах з розплаву і при кристалізації з парової фази
2. Вибір напрямку дослідження
3. Теоретичні та експериментальні дослідження
3.1 Матеріал дослідження
3.2 Отримання електронно-мікроскопічних знімків
3.3 Розрахунок розміру зерна по електронно-мікроскопічним знімкам
4. Узагальнення та оцінка результатів досліджень
4.1 Дослiдження зернинної структури конденсатiв Cu–Mo, Cu–W, Cu–Tа
Висновки
Список джерел інформації
ВСТУП
Сучасна техніка пред’являє все більш зростаючі вимоги до матеріалів. Більш того, її розвиток у цей час у значний мiрi залежить від наявності матеріалів з необхідними властивостями. Високі та рiзнобiчнi вимоги , які пред’являють до матеріалів, роблять необхідними детальні та глибокі наукові досліди.
Широке застосування у виробництві отримав метод вакуумної конденсації, який застосовується для отримання металевих матеріалів, які не можливо отримати іншими способами: композиційні матеріали, сплави металів, які не мають взаємної розчинності та не змішуються у рівноважних умовах. Такими сплавами є композити Cu-Mo, Cu-W, Cu-Ta. Вони знайшли широке застосування в електротехніці в якості контактного матеріалу, в ракетній та космічній техницi. Із них виготовляють електроконтакти для високовольтних вимикачів, які працюють в неокислювальному середовищі або в маслі, електроди контактних зварювальних машин для зварювання тугоплавких та кольорових металів, газоохолоджуємi сопла та мiжелектроднi вставки потужних зварювальних машин, плазмохімічних та металургійних плазмотронів. В зв’язку з цим зростає значення дослідження структури, її термостабільності, тому що саме структура матеріла визначає його властивості, до того ж часто особливості структури атомного масштабу.
1. АНАЛІТИЧНИЙ ОГЛЯД ДЖЕРЕЛ ІНФОРМАЦІЇ
1.1 Зернинна структура металів. Роль зернинної структури, її вплив на властивості металів, сплавів і композитів.
Як відомо, в твердих тілах атоми роблять малі коливання біля своїх рівноважних положень. Це призводить до правильного чергування атомів на однакових відстанях для як завгодно далеко віддалених атомів, тобто існує так називаний далекий порядок у розташуванні атомів. Характерною рисою металів і металевих сплавів є їхня кристалічна будова. Кристалічні матеріали являють собою монокристали або полікристали, тобто вони мають кристалічні ґратки. Монокристал у своїй структурі має усього один кристал, тоді як полікристали складаються з великого числа маленьких кристалів неправильної форми, називаних зернами. Окреме місце займають аморфні матеріали. Аморфний стан твердого тіла можна визначити як стан з відсутністю далекого порядку (наявністю кореляцій між атомами на великих відстанях) при збереженні ближнього порядку (наявністю таких кореляцій на декількох (максимум - двох чи трьох) координаційних сферах), тобто вони не утворять кристалічні ґратки [4].
Кристалічні ґратки в окремих зернах орієнтовані відносно один одного випадковим образом, хоча в деяких випадках спостерігається переважне орієнтування зерен - текстура. Кути разорієнтувань границь зерен складають одиниці та десятки градусів - це так називані великокутові границі. У свою чергу зерна можуть бути розбиті на фрагменти, субзерна, області когерентного розсіювання і т.д. Вони можуть мати раз орієнтування в десяті і соті долі градусів. Усередині субзерен можуть спостерігатися скупчення дислокацій різної конфігурації, нерівномірний розподіл легуючих елементів і крапкових дефектів.
Слід зазначити, що основною структурною характеристикою кристалічного металу є розмір зерна. Усі полікристали прийнято характеризувати гістограмою розподілення зерен по розмірам і середнім розміром зерен, а також спектром орієнтувань границь зерен. Тому всі полікристали можна розділити на крупно-, мікро-, субмікро-, нанокристалічні. Субмікрокристалічні матеріали характеризуються розміром зерен 1,0-0,1 мкм, нанокристалічні мають розмір зерен <0,1 мкм (<100 нм).
Між структурою та властивостями металів мається тісний взаємозв'язок. Відомо, що зернинна структура кристалів не ідеальна, тобто кристали містять ті чи інші недосконалості кристалічної будови. Усі дефекти, у залежності від характеру виміру в просторі поділяються на крапкові, лінійні, поверхневі та об'ємні. Особливе значення мають дислокації – лінійні дефекти, які викликані локальним перекручуванням кристалічної ґратки. Найважливішою характеристикою дислокацій є їхня щільність, тобто довжина всіх дислокаційних ліній у деякому обсязі.
Величина розміру зерна, щільність дислокацій впливають на механічні властивості металів і сплавів. Графічно це можна зобразити залежністю представленої на рис. 1.1
У процесі механічного впливу зразок може піддаватися пружній і пластичній деформації з наступним руйнуванням. При цьому стадію пружної деформації зразок проходить при усіх, без винятку, видах механічних впливів. Пружність - це властивість тіл змінювати форму і розміри під дією навантажень і мимовільно відновлювати вихідну конфігурацію при припиненні зовнішніх впливів. Вона є характеристикою сил міжатомних зв'язків. В даний час вважається, що в полікристалах границі зерен на пружні модулі впливу практично не роблять [1]. Так, у роботі [9] проведені оцінки пружних модулів різних полікристалів з постійних пружності монокристалів без обліку впливу границь зерен і отриманий гарний збіг з експериментом.
Однак розрахунок зерневограничних потенціалів і поверхневих сил зчеплення, проведений у роботі [8], показав, що модуль міжзерневого прошарку залежить від типу границь зерен і по величині менше чим у ґратки.
L- розмір зерна;
V- % аморфної фази;
ρ - щільність дислокацій;
σв-межа міцності;
d -пластичність до руйнування
Рисунок 1.1 Залежність механічних властивостей від розміру зерна і щільності дислокацій
У роботі [5], показано, що результати розрахунку анізотропії пружних властивостей полікристалічної міді без обліку впливу границь зерен відхиляються від експериментальних даних на 6%. З цього можна припустити, що в досить дрібнозернистих матеріалах границі зерен можуть значно впливати на величину ефективного пружного модуля. Ефективні значення модулів пружності залежать від структури матеріалу, тому що пластична (додаткова) деформація залежить від дефектів структури.
Дослідження пружних властивостей субмікрокристалічної (СМК) - міді і нікелю показали, що формування в матеріалі цієї структури приводить до значного зниження значення модуля Юнга і модуля зрушення. Відпал СМК-зразків, що викликає повернення структури і ріст зерен, приводить до різкого повернення пружних властивостей при досягненні середнього розміру зерна близько 0,5 мкм. Це різке повернення корелює з переходом границь зерен з нерівноважного стану в рівноважне.
Таким чином, чим менше розмір зерна, а також більш нерівноважні границі, тим вище у зразків внутрішнє тертя при малих амплітудах деформації і властивості міцності і тим нижче пружність.
Розходження в міцності чистих металів і сплавів в залежності від їхнього структурного стану (монокристал, полікристал, нанокристал і т.п.) виникає через особливості деформаційних процесів, що протікають при навантажені в матеріалі з різними дефектами структури. В даний час теорія дислокацій найбільше повно пояснює причини формування властивостей міцності матеріалів.
Існує зв'язок між напругою текучості й основних параметрів структури. Напруга деформування монокристала в загальному випадку складається із суми напруги тертя гратки σ0, напруги полів дислокацій, що лежать у площині ковзання σд, напруги, що виникає за рахунок взаємодії дислокацій з атомами домішки σр і напруги, що виникає за рахунок взаємодії дислокацій з частками фази σф.
σ =σ0+σд+σр+σф
У випадку полікристала до перерахованим вище доданків додається напруга, що враховує зміцнення від розміру зерна σз.
σ =σ0+σд+σр+σф+ σз
де σз- функція від розміру зерна d, що має вид k*∙bGd-1/2, де коефіцієнт k=k*∙bG визначає опір границі зерна дислокації, що рухається. Тобто такий зв'язок звичайно добре описується за допомогою співвідношення Холла-Петча: σs =σ0+ k*∙bGd-1/2, де σs - границя текучості. Закон Холла-Петча виявляється справедливий не тільки для полікристалів з розміром зерен від 100 до 0,1 мкм.
Властивості міцності субмікро- і нанокристалічних матеріалів визначаються в основному розміром зерна d і станом границь зерен. Границя текучості субмікро- і нанокристалічного матеріалу істотно залежить від способу одержання як нанокристалічного, так і вихідного (крупнозерневого стану). Наприклад, при зменшенні розміру d від 1500 до 5 нм в чистих металах і сплавах мікротвердість Н може збільшитися від 2 до 6 разів [7]. Межа текучості σ0,2 і межа міцності σвнанокристалічних металів також зростають у порівнянні з крупнозерневим станом. При цьому низькотемпературна пластичність d зменшується.
Межа текучості субмікро- і нанокристаллічних матеріалів, як і для звичайних матеріалів, залежить від умов деформування. В даний час маються поки нечисленні дані про межу текучості в субмікро- і нанокристалічних матеріалів і її залежність від розміру нанозерна. Однак дані про границю текучості для ряду субмікро- і нанокристалічних матеріалів дозволяють зробити припущення, що і для залежності межи текучості від розміру зерна при наближенні до нижньої границі розмірів нанозерен закон Холла-Петча не виконується. В інтервалі значень розмірів субмікро- і нанозерен від 140 до 30 нм закон Холла-Петча справедливий і для субмікро- і нанокристалічних матеріалів з виправленням на зміну значення коефіцієнта k при переході від однієї температури і швидкості іспиту до інших.