Линейные дефекты

Линейные дефекты характеризуются малыми размерами в двух измерениях, но имеют значительную протяженность в третьем измерении. Наиболее важный вид линейных дефектов — дислокации (лат. dislocation — смещение). Теория дислокаций была впервые применена в середине тридцатых годов ХХ века физиками Орованом, Поляни и Тейлором для описания процесса пластической деформации кристаллических тел. Ее использование позволило объяснить природу прочности и пластичности металлов. Теория дислокаций дала возможность объяснить огромную разницу между теоретической и практической прочностью металлов.

На рис. 1.4 приведена схема участка кристаллической решетки с одной «лишней» атомной полуплоскостью, т. е. краевой дислокацией. Линейная атомная полуплоскость PQQ'Р'называется экстраплоскостью, а нижний край экстраплоскости — линией дислокации. Если экстра­плоскость находится в верхней части кристалла, то дислокацию называют положительной и обозначают знаком «», если в нижней — то отрицательной и обозначают знаком «–». Различие между дислокациями чисто условное. Перевернув кристалл, мы превращаем положительную дислокацию в отрицательную. Знак дислокации позволяет оценить результат их взаимодействия. Дислокации одного знака отталкиваются, а противоположного — притягиваются.

Помимо краевых дислокаций в кристаллах могут образовываться и винтовые дислокации (рис. 1.5).

Винтовые дислокации могут быть по­лучены путем частичного сдвига атомных слоев по плоскости Q, кото­рый нарушает параллельность атомных слоев. Кристалл как бы закру­чивается винтом вокруг линии EF. Линия EF является линией дисло­кации. Она отделяет ту часть плоскости скольжения, где сдвиг уже завершился, от той части, где сдвиг еще не происходил. Винтовая дисло­кация, образованная вращением по часовой стрелке, называется пра­вой, а против часовой стрелки — левой.

Вблизи линии дислокации атомы смещены со своих мест и кристал­лическая решетка искажена, что вызывает образование поля напряже­ний: выше линии дислокации решетка сжата, а ниже растянута.

Рисунок 1.4- Краевая дислокация	Рисунок 1.5 - Винтовая дислокация

Дислокации образуются уже при кристаллизации металлов, а также в ходе пластической деформации и фазовых превращений. Плотность дисло­каций может достигать большой величины. Под плотностью дислокаций обычно понимают суммарную длину дислокаций  l, приходящуюся на еди­ницу объема V кристалла:  =  l/V. Таким образом, размерность плотно­сти дислокаций : см/см³, или см^–2. Для отожженных металлов плотность дислокаций составляет величину 10⁶–10³ см^–2, после холодной деформации она увеличивается до 10¹¹–10¹² см^–2, что соответствует примерно 1 млн ки­лометров дислокаций в 1 см³.

Использование теории дислокаций позволило объяснить большое расхож­дение между теоретической и фактической прочностью металлов. Теорети­ческая прочность должна быть пропорциональна произведению сил меж­атомной связи на число атомов в сечении кристалла.

Расчетное усилие для смещения одной части кристалла относительно другой оказалось на 2–3 порядка выше фактически затрачиваемого при пластической деформации металла. Так, теоретическая прочность железа составляет около 13 000 МПа, а фактическая — всего 250 МПа.

Такое расхождение теоретической и фактической прочности объясняет­ся тем, что деформация происходит не путем одновременного смещения целых атомных плоскостей, а путем постепенного перемещения дислока­ций. Влияние дислокаций на процесс пластической деформации на примере краевых дислокаций показано на рис. 1.8. Пластический сдвиг является следствием постепенного перемещения дислокаций в плоскости сдвига. Распространение скольжения по плоскости скольжения происходит после­довательно. Каждый элементарный акт перемещения дислокации из одного положения в другое совершается путем разрыва лишь одной вертикальной атомной плоскости. Для перемещения дислокаций требуется значительно меньшее усилие, чем для жесткого смещения одной части кристалла отно­сительно другой в плоскости сдвига. При движении дислокации вдоль на­правления сдвига через весь кристалл происходит смещение верхней и нижней его частей лишь на одно межатомное расстояние. В результате переме­щения дислокация выходит на поверхность кристалла и исчезает. На по­верхности остается ступенька скольжения.

Сплавы железа распространены в промышленности наиболее широко. Основные из них – сталь и чугун представляют собой сплавы железа с углеродом. Для получения заданных свойств в сталь и чугун вводят легирующие элементы. Железо – металл серебристо-белого цвета. Атомный номер 26, атомная масса 55, 85; атомный радиус 0,127 нм. Чистое железо, которое может быть получено в настоящее время, содержит 99,999% железа, а технические сорта 99,8…99,9% железа. Температура плавления железа 1539° С. Железо известно в двух полиморфных модификациях: альфа и гамма. Альфа-железо существует при температурах ниже 910°С и выше 1392°С. Для интервала температур 1392…1539°С α–железо нередко обозначают как σ-железо. Кристаллическая решетка α-железо – объемноцентрированный куб с периодом решетки 0,28606 нм. До температуры 768°С α-железо магнитно (ферромагнитно). Критическую точку (768°С), соответствующую магнитному превращению, т. е. переходу из ферромагнитного состояния в парамагнитное называют точкой Кюри и обозначают А₂.

Магнитные свойства железа сильно зависят от его чистоты и режимов термической обработки.

Кристаллическая решетка γ-железа – гранецентрирванный куб с периодом 0,3645 нм при температуре 910°С. Углерод является неметаллическим элементом 2 периода 4 группы Периодической системы, атомный номер 6, плотность 2,5 г/см , атомная масса 12,011, температура плавления 3500°С, атомный радиус 0,077 нм. Углерод полиморфен. В обычных условиях он находится в виде модификации графита, но может существовать и в виде метастабильной модификации алмаза.

Углерод растворим в железе в жидком и твердом состояниях, а также может быть в виде химического соединения – цементита, а в высокоуглеродистых сплавах и в виде графита.

Алюминий – элемент 3 группы Периодической системы элементов, порядковый номер 13, атомная масса 26,98. Температура плавления 660°С. Алюминий имеет кристаллическую ГЦК решетку с а=0,40412 нм. Наиболее важной особенностью алюминия является низкая плотность 2,7 г/см³, против 7,8 г/см³ для железа и 8,9 г/см³ для меди. Алюминий обладает высокой электропроводностью, составляющей 65% от электропроводности меди. Теплопроводность составляет 238,3 Вт/(м К). В зависимости от чистоты различают алюминий особой чистоты А999 (99,999% Аl), высокой чистоты А995 (99,995% Al), A99 (99,99% Al), A97 (99,97% Al), A95 (99,95% Аl) и технической чистоты А85, А8, А7, А6, А5, А0 (99,0% А1).

Технический алюминий изготавливается в виде листов, профилей, прутков, проволоки и других полуфабрикатов, маркируется АД и АД1. В качестве примесей в алюминий присутствуют Fe, Si, Cu, Mn, Zn, Ti. Механические свойства отожженного алюминия высокой чистоты: σ_в=50 МПа, σ_0,2=15МПа,

Алюминий обладает высокой коррозионной стойкостью вследствие образования на его поверхности тонкой прочной пленки А₂О₃. Чем чище алюминий, тем выше его коррозионная стойкость. δ=50% и технического алюминия (АДМ) σ_в=80 МПа, σ_0,2=30 МПа, δ=35%. Модуль нормальной упругости Е=7 ГПа. Холодная пластическая деформация повышает б_в технического алюминия (АДН) до 150 МПа, но относительное удлинение снижается до 6%.

Все сплавы алюминия можно разделить на две группы:

1) деформируемые, предназначенные для получения полуфабрикатов (листов, плит, прутков, профилей, труб и т.д.), а также поковок и штамповок путем прокатки, прессования, ковки и штамповки. Деформируемые сплавы, по способности упрочняться термической обработкой, делят на сплавы, неупрочняемые термической обработкой;

2) литейные сплавы, предназначенные для фасонного литья.

Сплавы АЛ8 и АЛ27 предназначены для отливок, работающих во влажной атмосфере. Сплавы применяют в судостроении и авиации.

Медь – проводниковый материал. Наиболее чистая бескислородная медь имеет суммарное содержание примесей 0,01 %, М00б – 0,03 % и Ml – 0,1 %.

Наиболее вредная примесь в меди – кислород. Помимо ухудшения проводимости кислород при отжиге полуфабрикатов и изделий из чистой меди в водороде вызывает растрескивание и потерю прочности, поэтому содержании кислорода в меди строго ограничено.Наибольшей электрической проводимостью обладает бескислородная медь М00б.

В качестве легирующих элементов широко применяют хром, марганец, кремний, никель, молибден, ванадий, вольфрам и другие элементы. Легирующие элементы вводят в сталь в разных количествах и различных сочетаниях.

Такие элементы как марганец и кремний, являющиеся постоянными примесями стали, считают легирующими только в том случае, если их количество превышает требуемое по технологии выплавки.

Влияние легирующих элементов на структуру и свойства стали многообразно. Оно начинает проявляться уже при выплавке стали. Поэтому влияние легирования и технологии производства стали на её свойства взаимно связаны. На практике наиболее часто сталь раскисляют с помощью марганца, кремния и алюминия.

В легированных сталях элементами, измельчающими зерно и снижающими скорость его роста при нагреве стали, могут быть ванадий, хром, титан и др. Например, для получения мелкозернистой стали достаточно ввести только 0,06…0,08 % Аl, тогда как содержание ванадия для получения такого зерна аустенита должно быть не менее 0,5 %.

Влияние хрома на измельчение зерна стали оказывается ещё слабее (его содержание в стали не менее 5…6 %). В настоящее время при производстве стали в качестве модификатора и десульфураторов начали широко применять редкоземельные металлы. Их вводят в жидкую сталь в виде лигатур, содержащих церий, лантан, неодим и др.

Для достижения высокой прокаливаемости сталь чаще легируют более дешевыми элементами – марганцем, хромом и бором, а также никелем и молибденом. Однако следует иметь в виду, что по достижении необходимой для данного сечения пркаливаемоси дальнейшее увеличение в стали легирующих элементов может не улучшить, а ухудшить механические свойства стали. При этом повышается порог хладноломкости и уменьшается запас вязкости.

Для получения требуемой прочности твердости легированные стали подвергают отпуску при более высокой температуре, чем углеродистые. Это позволяет не только полностью снять закалочные напряжения, но и получить в стали лучшее сочетание прочности и вязкости.

Углерод, азот и бор, имеющие малые по сравнению с железом атомные радиусы, образуют с железом твёрдые растворы внедрения. Другие легирующие элементы образуют с железом твёрдые растворы замещения.

Антифрикционные материалы предназначены для изготовления подшипников (опор) скольжения, которые широко применяют в современных машинах и приборах из-за их устойчивости к вибрациям, бесшумности работы, небольших габаритов.

Основные служебные свойства подшипникового материала – антифрикционность и сопротивление усталости. Антифрикционность – способность материала обеспечивать низкий коэффициент трения скольжения и тем самым низкие потери на трение и малую скорость изнашивания сопряженной детали – стального или чугунного вала.

Металлические материалы. Онипредназначены для работы в режиме жидкостного трения, сочетающемся в реальных условиях эксплуатации с режимом граничной смазки. Из-за перегрева возможно разрушение граничной масляной плёнки.

К сплавам первого типа относятся баббиты и сплавы на основе меди – бронзы и латуни. Твёрдые включения, на которые опирается вал, обеспечивают высокую износостойкость.

Баббиты – мягкие антифрикционные сплавы на оловянной или свинцовой основе. Их применяют только для тонкого покрытия рабочей поверхности опоры скольжения.

Бронзы относятся к лучшим антифрикционным материалам. Особое место среди них занимают оловянистые и оловянисто-цинково-свинцовистые бронзы. Бронзы широко используют как компоненты порошковых антифрикционных материалов или тонкостенных пористых покрытий, пропитанных твёрдыми смазочными материалами.

Латуни используют в качестве заменителей бронз для опор трения. Однако по антифрикционным свойствам они уступают бронзам. Двухфазные латуни применяют при малых скоростях скольжения и невысоких нагрузках. Используют для опор трения приборов.

К сплавам второго типа относятся свинцовистая бронза БрС30 с 30 % РЬ и алюминиевые сплавы с оловом. Антифрикционные свойства сплавов достаточно высокие, особенно у алюминиевых сплавов. Из-за хорошей теплопроводности граничный слой смазочного материала на этих сплавах сохраняется при больших скоростях скольжения и высоком давлении.

Алюминиевый сплав А09-2 применяют для отливки монометаллических вкладышей, бронзу – для наплавки на стальную ленту.

Также сюда относятся серые чугуны, роль мягкой составляющей в которых выполняют включения графита. С целью уменьшения износа сопряженной детали марку чугуна выбирают так, чтобы его твёрдость была ниже твёрдости стальной цапфы.

Неметаллические материалы. Для изготовления подшипников скольжения применяют пластмассы – термореактивные и термопластичные (полимеры). Из термореактивных пластмасс используют текстолит. Из него изготавливают подшипники прокатных станов, гидравлических машин, гребных винтов. Из полимеров наиболее широко применяют полиамиды. Достоинством полимеров – низкий коэффициент трения, высокая износостойкость и коррозионная стойкость.

Комбинированные материалы, состоят из нескольких металлов и неметаллов, имеющих благоприятные для работы подшипника свойства. Существуют подшипники двух типов.

1. Самосмазывающиеся подшипники получают методом порошковой металлургии из материалов различной комбинации: железо-графит, железо-медь (2…3 %) – графит или бронза-графит. Такие подшипники работают при небольших скоростях скольжения, отсутствии ударных нагрузок и устанавливаются в труднодоступных для смазки местах.

2. Металлофторопластовые подшипники изготовляют из металлофторопластовой ленты в виде свёртных втулок методом точной штамповки. Такие подшипники применяют в машиностроительной, авиационной и других отраслях промышленности.

Минералы. Естественные (агат), искусственные (рубин, корунд) минералы или их заменители – ситаллы (стеклокристаллические материалы) применяют для миниатюрных подшипников скольжения – камневых опор. Камневые опоры используют в прецизионных приборах – часах, гироскопах, тахометрах и т.д. главное достоинство таких опор – низкий и стабильный момент трения. Постоянство момента трения обусловлено высокой износостойкостью минералов, способных из-за высокой твёрдости выдерживать громадные контактные давления.

Фрикционные материалы применяют в тормозных устройствах и механизмах, передающих крутящий момент. Они работают в тяжелых условиях изнашивания – при высоких давлениях (до 6 МПа), скоростях скольжения (до 40 м/с) и температуре мгновенно возрастающей до 1000° С. Для выполнения своих функций фрикционные материалы должны иметь высокий и стабильный в широком интервале температур коэффициент трения, минимальный износ, высокие теплопроводность и теплостойкость, хорошую прирабатываемость и достаточную прочность. Этим требованиям удовлетворяют многокомпонентные неметаллические и металлические спеченные материалы. Их производят в виде пластин или накладок, которые прикрепляют к стальным деталям, например дискам трения. Неметаллические материалы применяют при лёгких (t_nped<1200°C, Р_max<0,8МПа) и средних (t_пред=400 °С, Р_max<1,5 МПа) режимах трения. Из них преимущественно используют абсофрикционные материалы, связующего (смолы, каучука), наполнителя и специальных добавок. Основным наполнителем является асбест, который придаёт материалу теплостойкость, повышает коэффициент трения и сопротивление схватыванию. К нему добавляют металлы (Сu, Al, Pb, латунь) в виде стружки или проволоки для повышения теплопроводности; графит для затруднения схватывания; оксиды или соли металлов для увеличения коэффициента трения.

Недостатком неметаллических материалов является невысокая теплопроводность, из-за чего возможны перегрев и разрушение материала.

Металлические спеченные материалы применяют при тяжелых режимах трения (t_пред=1200°С, Р_max<6,0 МПа).Их производят на основе железа и меди. Кроме основы и металлических компонентов (Sn, Pb, Ni и др.), обеспечивающих прочность, хорошую теплопроводность и износостойкость, эти материалы содержат неметаллические добавки – асбест, графит, оксид кремния, барит.

Материалы на основе железа из-за высокой теплостойкости используют в узлах трения без смазочного материала, а на основе меди – при смазывании маслом.

Дата добавления: 2014-03-22; просмотров: 434; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!