Изменение свойств материалов

На основе изучения взаимосвязи состава, структуры и свойств материалов отметим применяемые на практике способы изменения их различных свойств.

Повышение прочности материала повышает надежность машин и приборов, снижает расход материала, что приносит значительный экономический эффект. Повысить прочность металлов и сплавов можно: 1. Созданием металлов и сплавов с бездефектной структурой (рисунок 8); 2. Повышением плотности дефектов (в том числе дислокации), затрудняющих движение дислокаций; 3. Изменением химического состава (легированием) или структуры сплава. 4. ТО или ХТО. 5.Термомеханической обработкой.

Повышение прочностных свойств деталей возможно также при использовании композиционных материалов вместо традиционных.

Нитевидные кристаллы обладают прочностью, близкой к теоретической. В них практически отсутствуют дислокации и другие дефекты ( рисунок 8, левая ветвь кривой). При увеличении количества дефектов (точечных, дислокаций и других) кристаллического строения свыше значений порядка 10¹⁰м^-2 происходит упрочнение металла (рисунок 8, правая часть кривой ). Применяемые способы упрочнения металлов – деформационное упрочнение, легирование, термическая и термомеханическая обработка и другие основаны на создание условий для торможения дислокаций в результате увеличения их плотности.

При первичном нагружении материала до напряжений, соответствующих точке 1 диаграммы растяжения, рисунок 21, пластическое деформирование приводит к образованию в нем полей упругих напряжений, искажающих кристаллическую решетку около точечных дефектов, повышению плотности дислокации и появлению после разгрузки остаточных пластических деформаций, что упрочняет материал. При повторном нагружении такого материала до напряжений, соответствующих напряжению точки 1, они возрастают по ломаной 0-2-1. Такой материал допускает при работе большие напряжения, соответствующие точке 1. Возрастание напряжений σ с увеличением ε называется упрочнением материала. При работе он выдерживает большие нагрузки.

При легировании и термической обработке упрочнение связано с образованием твердых растворов с различными фазами или структурами, например мартенсита. При образовании твердых растворов происходит искажение области кристаллической решетки вокруг атомов растворенного элемента, находящихся в плоскости скольжения, что затрудняет продвижение дислокаций. Движение дислокаций затрудняет также и дефекты на границах зерен поликристаллических материалов. Таким образом, торможение движения дислокаций приводит к упрочнению материала. Чем больше дислокаций, тем выше сопротивление пластическим деформациям, т. е. выше прочность. Предел текучести σ_т после упрочнения увеличивается с увеличением плотности дислокаций, и определяется зависимостью , где σ_о - предел текучести до упрочнения; а –коэффициент, учитывающий вклад других механизмов торможения дислокаций; в- вектор Бюргерса; G – модуль сдвига; р – плотность дислокаций.

При измельчении зерна повышение прочности описывается, как указывалось выше, зависимостью , где σ_т- напряжение предела текучести после упрочнения; σ_о - напряжение предела текучести до упрочнения (напряжение, необходимое для движения свободной дислокации); К – коэффициент, характеризующий прочность блокировки дислокаций; d – диаметр зерна.

При увеличении подвижности дислокаций, наоборот- возрастает пластичность материала. Повышение пластичности достигается операциями отжига при ТО. Примеси, концентрирующиеся по границам зерен и в зоне дислокаций, затрудняют движение дислокаций. Поэтому очистка металла от примесей, а также упрочняющая термообработка с получением требуемой структуры, повышает прочность.

Рассмотренные способы упрочнения, легирование материала, механические деформации, термомеханическая, термическая и химико-термическая обработка применяют не только для упрочнения материала. Диффузионное легирование применяют для получения p-n переходов в различных полупроводниковых устройствах. В результате термообработки уменьшают количество дефектов в структурах проводниковых материалов, что увеличивает электропроводность. Эвтектические композиционные материалы с нитевидными кристаллами обладают не только повышенными прочностными свойствами, но и анизотропией магнитных и электрических свойств. Текстурирование электротехнической стали повышает магнитные свойства в направлении проката.