ТЕОРИЯ сварочных процессов

Понятие о дефектах кристаллической решетки

В процессе кристаллизации, технологических тепловых и ме­ханических воздействий в металле возникают дефекты кристалли­ческой решетки, т. е. нарушается правильность кристаллического строения во многих локальных субмикроскопических зонах металла. Несовершенства кристаллического строения вызывают значительные изменения термодинамических параметров металла. Большинство физических и механических процессов в металлах происходит в результате перемещения и взаимодействия дефектов кристаллической решетки. Дефекты оказывают существенное влияние на прочность, пластичность, деформационную СПОСОб­
ность металлов, их коррозионную стойкость, склонность к хруп­ким разрушениям, на технологическую прочность при сварке и многие другие механические и физические свойства металлов.

Можно выделить четыре основные вида дефектов кристалли­ческой решетки: точечные (нульмерные), линейные (одномерные), поверхностные (двумерные) и объемные (трехмерные).

Рис. 12.3. Точечные дефекты кристаллической решетки: а - дислоцированный атом; б - незаполненный узел (вакансия); в, г - инородные атомы соответ­ственно внедрения и замещения

К точечным дефектам (рис. 12.3) относятся: междоузельные атомы - дислоцированные атомы, перешедшие в результате боль­ших флуктуаций кинетической энер­гии из узлов решетки в междоузель­ные пространства; вакансии - неза­полненные узлы решетки. Как точечные дефекты могут рассматри­ваться инородные (примесные) атомы внедрения (в междоузлиях) и замеще­ния (в узлах решетки), радиусы ато­мов которых соответственно меньше или больше радиуса атомов основного металла.

При образовании точечного де­фекта заметные смещения претерпе­вают лишь те атомы, которые близко расположены к дефекту. По мере уда­ления от него искажения решетки быстро уменьшаются.

Точечные дефекты могут взаимодействовать друг с другом. Если объединяются вакансия и междоузельный атом, то происходит анни­гиляция (взаимное уничтожение) обоих дефектов, и атом, бывший ранее междоузельным, занимает нормальное положение в решетке. Две вакансии могут объединяться в наиболее простой комплекс де­фектов - дивакансию. Процесс объединения вакансий может про­должаться до образования небольшой микропоры.

Вакансии обусловлены флуктуациями кинетической энергии атомов. Их образование приводит к увеличению вибрационной составляющей энтропии (повышение степени неупорядоченности строения) и к уменьшению свободной энергии до минимума. В этом случае устанавливается равновесная концентрация вакансий Cv р, значение которой зависит от рода металла и температуры:

£j_

kT

(12.5)

Cv. p=- = i4exp

где п - равновесное число вакансий; N - число атомов в кристалле;

Рис. 12.4. Соотношение равно­весной Cvp и неравновесной

CV H концентрации вакансий в железе в условиях термического цикла сварки (Cv Hj, Cv Н2,

С

соответствует средним

v. H3

скоростям охлаждения, при сварке W5! 10 = 10...500 °С/с в диапазоне 1540... 1000 °С)

, соответствующая Cvp при

к - постоянная Больцмана; Uj - энергия активации образования вакансий (энергия, необходимая для разрыва межатомных связей, удерживающих атомы в узлах ре­шетки; обеспечивается флуктуа­цией энергии отдельных атомов).

Чем слабее межатомные связи (это зависит от рода металла) и выше температура, тем выше Cvp. При медленном (квазиизо-

термическом) охлаждении от тем­пературы плавления до нор­мальной равновесная концент­рация вакансий Cv р уменьшается

на несколько порядков (рис. 12.4).

Изменение Cvp происходит в ре­зультате аннигиляции вакансий в процессе их миграции: объедине­нии с междоузельными атомами, выхода на границы зерен и поверх­ность тела. При быстром охлажде­нии (закалка, сварка и т. п.) в усло­виях ограничения скоростей ♦самодиффузии процесс аннигиля­ции вакансий замедляется. В ре­зультате при пониженных темпе­ратурах фиксируется неравно­весная концентрация вакансий CVH, wvp

более высоких температурах.

Дислокации представляют собой линейные дефекты кристал­лической решетки, приводящие к нарушениям правильного распо­ложения атомов на расстояниях, значительно больших, чем период решетки. Они образуются в результате термических и механиче­ских воздействий на металл в процессах кристаллизации, пласти­ческого деформирования и в других процессах. Причиной образования дислокаций может быть также объединение вакансий. Существует два вида дислокаций: краевые и винтовые.

Краевые дислокации обра­зуются вследствие появления в кристалле недостроенной атом­ной плоскости (экстраплоско­сти) из-за частичного сдвига под действием касательных на - j пряжений одной части кристал- j ла по отношению к другой I (рис. 12.5). Линия дислокации, представляет проекцию на се­чение кристалла (в плоскости рисунка) края внедренной экст­раплоскости и обозначается знаком J_. Линия дислокации в виде «трубки» проходит через весь кристалл. Если экстраплос­кость «вставлена» сверху, то дислокацию принято считать поло­жительной, если экстраплоскость «вставлена» снизу - отрицатель­ной. Линия дислокации перпендикулярна вектору смещающего усилия, вектор скорости перемещения дислокации параллелен этому усилию. Степень искаженности кристаллической решетки

Рис. 12.5. Схема краевой дислока­ции: PQ - проекция экстраплоско­сти; ABCDE - контур Бюргерса;

ЕА(Ь) - вектор Бюргерса

определяется вектором Бюргерса Ь, модуль которого равен длине отрезка, на который одна из сторон замкнутого вокруг дислокации четырехугольника ABCD (контура Бюргерса) длиннее противопо­ложной (см. рис. 12.5). Модуль вектора Бюргерса (ЕА) исчисляется числом периодов кристаллической решетки.

Плотность дислокаций N определяется числом линий дислока-

, 2

ции, пересекающих площадь в 1 см поперечного сечения кри-

_2

сталла (размерность N равна см ). В реальных кристаллах N имеет

7 12 -2

значения 10 и 10 см в состоянии соответственно после отжига и закалки.

Винтовые дислокации образуются вследствие смещения одной части атомных рядов кристалла по отношению к другой под влия­нием касательных напряжений (рис. 12.6). У вершины смещения образуется винтовая дислокация в результате винтового закручи­вания плоскостей кристаллической решетки относительно друг друга. Линия дислокации параллельна вектору смещающего уси­лия, вектор скорости перемещения дислокации перпендикулярен этому усилию.

В реальном кристалле воз­можно также образование сме­шанной (криволинейной) дис­локации, представляющей со­четание краевой и винтовой дислокаций. Ориентация сме­шанной дислокации по отно­шению к смещающему усилию имеет промежуточный харак­тер по сравнению с ориента­циями линейной и винтовой дислокаций. Она реализует плавный переход между ними.

Рис. 12.6. Схема винтовой дисло­кации: I - экстраплоскость; II — II — линия дислокации; ABCDE - кон­тур Бюргерса; ЕА - вектор Бюргер - са; т - смещающее усилие

В результате образуется дисло­кационная петля с разным ха­рактером искажений на раз­личных ее участках.

Gb

Наибольшие геометриче­ское искажение и энергетиче­ское возмущение в кристалле сосредоточены вблизи линии дислокации. Область кристал­ла, непосредственно приле­гающая к дислокации, назы­вается ядром дислокации (рис. 12.7, а). В этой области. смещения атомов и напряже­ния, возникающие в металле вследствие дислокации, не подчиня­ются закону Гука. На рис. 12.7, б показано распределение нор­мальных напряжений в окрестностях краевой дислокации. Законо­мерность распределения напряжений от дислокации за пределами ядра радиусом г0, приблизительно равным двум периодам кри­сталлической решетки, имеет гиперболический характер. Напря­жения в зоне (х = 0, г > г0), удаленной от ядра, можно вычислить по следующей формуле:

(12.6)

где G - модуль сдвига; Ъ - вектор Бюргерса; р - коэффициент Пу­ассона; г - расстояние от ядра дислокации.

Рис. 12.7. Распределение в окрестностях краевой дислокации (а) нор­мальных напряжений (б):

1 - экстраплоскость; 2 - плоскость скольжения; 3 - ядро дислокации радиусом г0;

4 - линия дислокации

Поскольку дислокации образуются в основном в результате внешних энергетических воздействий на металл, то это приводит к увеличению как внутренней, так и свободной энергии металла. Таким образом, металл при наличии в нем дислокаций находится в нестабильном термодинамическом состоянии.

Потенциальная энергия W краевой дислокации длиной L мо­жет быть рассчитана по формуле

Gb2L

W =

(12.7)

-In—,

4я(1-ц) r0

где г - расстояние от ядра дислокации, на котором напряжения ох

снижаются до значения, приблизительно равного 0,05oxmax.

Одним из главных свойств дислокаций является их высокая подвижность в кристаллической решетке металла под действием относительно невысоких смещающих усилий. Существует два способа перемещения дислокаций:

- скольжением, т. е. перемещением линии дислокации по плос­кости сдвига, а в случае краевой дислокации - смещением края экстраплоскости (характерно для процесса пластического дефор­мирования);

- переползанием, т. е. изменением формы и размера линии дис­локации в результате подхода к краю экстраплоскости вакансий или дислоцированных атомов, а в случае краевой дислокации - удлине­нием или укорочением и искривлением экстраплоскости с появле­нием на ней ступенек (характерно для высокотемпературной ползу­чести).

Подвижность дислокаций объясняется тем, что при их движе­нии последовательно преодолевается сопротивление межатомных

сил связи только в зоне дислокации. Поэтому напряжение текуче-

-2 -3

сти реальных металлов тх составляет 10 ... 10 от теоретического

значения хт(те0р), которое рассчитывается с учетом преодоления межатомных сил связи по всей плоскости сдвига.

В процессе движения дислокаций и взаимодействия между со­бой и различными препятствиями на пути их движения происхо­дит размножение (генерирование) дислокаций. Так, пластическая деформация (наклеп) металла увеличивают плотность дислокаций на несколько порядков.

К поверхностным дефектам кристаллического строения отно­сятся искажения кристаллической решетки у поверхности металла, границы зерен, блоков, структурных составляющих.

Объемные дефекты кристаллов представляют собой микро­скопические поры, трещины, инородные включения.

ТЕОРИЯ сварочных процессов

Граничные условия

Чтобы решить дифференциальное уравнение теплопроводно­сти, необходимо задать распределение температур в начальный момент времени (начальное условие) и условия взаимодействия тела с окружающей средой на его границах (граничные условия). Начальное условие определяется …

Основные допущения и упрощения, принятые в классической теории распространения теплоты при сварке

На современном уровне развития математики аналитическое решение уравнения теплопроводности в общем виде (5.21) еще не найдено, однако при введении некоторых допущений и упрощений можно получить пригодные для практического использования ча­стные …

Дифференциальное уравнение теплопроводности

Сложный процесс изменения температуры точек тела с коор­динатами jc, у, z во времени t описывается дифференциальным уравнением теплопроводности. Для вывода этого уравнения необ­ходимо рассмотреть баланс теплоты в некотором элементарном объеме …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.