Технология конструкционных материалов

                   Ю. П.Солнцев Б. С. Ермаков В. Ю. Пирайнен




Т ЕХНОЛОГИЯ Конструкционных Материалов
    Издание 7-е, стереотипное
    Под редакцией Ю. П. Солнцева


         Рекомендовано Федеральным агентством по образованию Российской Федерации в качестве учебника для студентов высших технических учебных заведений





        САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
        ХИМИЗДАТ 2024

УДК 620.22 С 601




        Р е ц е н з е н т ы:
        Зав. кафедрой материаловедения и технологии художественных изделий СЗГЗТУ д-р техн. наук, проф. Е. И. Пряхин
        Д-р техн. наук, проф. кафедры «Исследование структуры и свойств материалов» СПбГТУ Ю. В. Шахназаров




        Солнцев Ю. П., Ермаков Б. С., Пирайнен В. Ю.

С 601 Технология конструкционных материалов: Учебник для вузов. —изд. 7-е, стереотип.— СПб.: ХИМИЗДАТ, 2024. — 504 с., ил.
        ISBN 978-5-93808-474-2


              Курс «Технология конструкционных материалов» является базисом, с которого начинают освоение инженерных дисциплин студенты общемашиностроительных, энергомашиностроительных специальностей, а также студенты, изучающие криогенное, холодильное и транспортное машиностроение, приборостроение и строительное дело.
              В третьем издании (1-е изд. — 1988 г., 2-е — 1996 г.) изложены основы получения чугунов, сталей, цветных металлов и сплавов, неметаллических материалов — пластмасс, силикатных и клеящих материалов, резин, лаков и красок. Проведен анализ современных способов литейного производства, обработки металлов давлением, термической обработки наиболее распространенных материалов. Уделено внимание методам порошковой металлургии, получению и применению новых конструкционных и композиционных материалов. Освещены вопросы их сварки и пайки, показаны причины ускоренного разрушения сварных соединений и определены пути повышения надежности и долговечности сварных конструкций.
              Материал учебника построен на анализе современных методов и способов производства, описывает новые технологии, знание которых необходимо современному инженеру для его успешной производственной и научной деятельности. Он может быть полезен не только студентам, изучающим курс технологии конструкционных материалов и только начинающим свой производственный путь, но и дипломированным специалистам — как справочный материал по различным отраслям машиностроительного производства.


С

2703000000-017
050(01)—2024

Без объявл.

ISBN 978-5-93808-474-2

© Солнцев Ю. П., Ермаков Б. С., Пирайнен В. Ю., 2006, 2014 © ХИМИЗДАТ, 2014, 2024

        ОГЛАВЛЕНИЕ


Предисловие                                                 9

РАЗДЕЛ I. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Глава 1. общая характеристика металлов и сплавов            11
Глава 2. механические свойства металлов                     22
2.1. Свойства металлов и сплавов                            22
2.2. Испытания механических свойств                         23
2.3. Оценка конструкционной прочности методами механики     35
    разрушения
2.4. Специальные методы испытаний                           37
Глава 3. неразрушающие методы! контроля                     39
3.1. Капиллярная дефектоскопия                             40
3.2. Магнитные методы контроля                             41
3.3. Акустические методы контроля                          41
3.4. Радиационные методы контроля                          43
Глава 4. диаграмма состояния системы железо - углерод       45
4.1. Характеристика основных фаз в сплавах                 45
4.2. Диаграмма состояния системы железо — углерод          47

РАЗДЕЛ II. ПРОИЗВОДСТВО ЧЕРНЫХ И ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ
Глава 1. металлургия чугуна                                51
1.1. Исходные материалы для доменного производства         51
1.2. Доменная печь                                         52
1.3. Производство литейного чугуна                         55
Глава 2. металлургия стали                                 56
2.1. Кислородно-конвертерное производство стали            56
2.2. Мартеновское производство стали                       59
2.3. Производство стали в электропечах                     61
2.4. Технология массового производства чистой стали        65
2.5. Электрорафинирующие переплавы                         68
2.6. Разливка стали                                        69
Глава 3. металлургия цветных металлов                      72
3.1. Производство меди                                     72
3.2. Производство алюминия                                 74
3.3. Производство магния                                   77
3.4. Производство титана                                   79

РАЗДЕЛ III. ПРОИЗВОДСТВО МАТЕРИАЛОВ МЕТОДАМИ ПОРОШКОВОЙ МЕТАЛУРГИИ
Глава 1. основные процессы порошковой металлургии           82
1.1. Основные термины и определения порошковой и гранульной 82 металлургии

3

1.2. Способы получения порошков                           85
1.3. Основные свойства порошков                           93
1.4. Основные марки металлических порошков               100
1.5. Принципы отбора изделий для изготовления методами   103
   порошковой металлургии
1.6. Прессование (формование) порошкового материала       105
1.7. Спекание порошковых материалов и изделий             120
1.8. Организация промышленного производства порошковых    133
   изделий
Глава 2. материалы, полученные методами порошковой        140
       и гранульной металлургии
2.1. Конструкционные материалы                           140
2.2. Фильтрующие пористые материалы                      148
2.3. Антифрикционные порошковые материалы                151
2.4. Фрикционные порошковые материалы                    157

раздел IV. производство композиционных материалов
Глава 1. особенности структуры и классификация композиционных 160 материалов
1.1. Общие принципы построения композиционных материалов 160
1.2. Классификация композиционных материалов              167
Глава 2. способы получения композиционных материалов      172
2.1. Получение композиционных материалов методами совмещения 172
2.2. Получение композиционных материалов обработкой давлением 180
2.3. Производство композиционных материалов методами      183
   порошковой металлургии
2.4. Процессы напыления                                   186
Глава 3. свойства и области применения композиционных     188
       материалов
3.1. Дисперсноупрочненные композиционные материалы       188
3.2. Волокнистые композиционные материалы                194
3.3. Керметы                                             199
3.4. Псевдосплавы                                        202

раздел v. литейное производство
Глава 1. основы литейного производства                    205
Глава 2. технология изготовления отливок в песчаных формах 207
2.1. Характеристика литейной формы                       207
2.2. Формовочные материалы                               210
2.3. Формовка                                            211
2.4. Окраска и сборка форм                               215
2.5. Заливка и другие окончательные операции             216
2.6. Современные формовочные смеси                       217
Глава 3. специальные способы литья                        219
3.1. Литье в кокиль                                       219

4

3.2. Центробежное литье                                   222
3.3. Литье под давлением                                  224
3.4. Литье в оболочковые формы                            226
3.5. Литье по выплавляемым моделям                        228
Глава 4. конструирование литых деталей                     230
4.1. Классификация дефектов отливок                       230
4.2. Анализ технологичности                               232

РАЗДЕЛ VI. ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
Глава 1. прокатка                                          237
1.1. Классификация прокатных станов                       238
1.2. Производство гнутых профилей                         239
1.3. Производство труб                                    239
Глава 2. прессование                                      243
Глава 3. волочение                                        245
Глава 4. свободная ковка                                  247
Глава 5. объемная и листовая штамповка                    249
5.1. Горячая объемная штамповка                           250
5.2. Холодная объемная штамповка                          251
5.3. Листовая штамповка                                   252

РАЗДЕЛ VII. ТЕХНОЛОГИЯ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ И свойств конструкционных материалов
Глава 1. технология термической обработки стали           254
1.1. Отжиг и нормализация                                 254
1.2. Закалка стали                                        259
1.3. Отпуск стали                                         265
Глава 2. технологические методы поверхностного упрочнения 267
       СТАЛЬНЫХ изделий
2.1. Поверхностная закалка                                267
2.2. Технология химико-термической обработки стали        269
2.3. Цементация стали                                     269
2.4. Азотирование стали                                   272
2.5. Цианирование стали                                   273
2.6. Диффузионная металлизация                            274

РАЗДЕЛ VIII. сварочное производство
Глава 1. физическая сущность и основные способы процессов 276 СВАРКИ
Глава 2. основные способы сварки плавлением и области      278
       ИХ рационального применения
2.1. Электрическая дуговая сварка                         279
2.2. Аргонодуговая сварка вольфрамовым электродом         282
2.3. Плазменная сварка                                    283

5

2.4. Сварка в углекислом газе                               283
2.5. Атомно-водородная сварка                               287
2.6. Электрошлаковая сварка                                 285
2.7. Электронно-лучевая сварка                              287
2.8. Лазерная сварка                                        288
2.9. Газовая (газо-кислородная) сварка                      289
2.10. Термитная сварка                                       290
Глава 3. основные способы сварки давлением                   292
3.1. Холодная сварка пластичных металлов                    292
3.2. Электрическая контактная сварка                        293
3.3. Ультразвуковая сварка                                  295
3.4. Кузнечно-горновая сварка                               296
3.5. Диффузионная сварка в вакууме                          297
3.6. Сварка трением                                         297
3.7. Сварка взрывом                                         298
3.8. Индукционная высокочастотная сварка                    299
Глава 4. влияние процессов сварки на качество сварных        300
       конструкций
4.1. Сварочные материалы                                     300
4.2. Деформации и напряжения, возникающие при сварке,        302
    и способы борьбы с ними
4.3. Источники питания для сварки                            303
4.4. Автоматическое регулирование процессов дуговой сварки   303
4.5. Свариваемость и ее показатели                           304
4.6. Горячие трещины при сварке металлов и сплавов           307
4.7. Холодные трещины при сварке металлов и сплавов          311
4.8. Ламелярные трещины и трещины повторного нагрева         314
4.9. Классификация и условия эксплуатации сварных конструкций 315
4.10. Производство сварных конструкций                       321
Глава 5. газо-кислородная резка металлов                     323
5.1. Сущность процесса и основные условия кислородной резки 323
5.2. Подогревательное пламя и кислород режущей струи         324
5.3. Классификация машин для кислородной резки               325
5.4. Особые виды кислородной резки                           326
Глава 6. основы пайки металлов                              328
6.1. Основные понятия пайки металлов и сплавов               328
6.2. Виды спаев                                             330
6.3. Виды пайки                                             333
6.4. Припои и флюсы при пайке                               335
Глава 7. технология пайки материалов                        338
7.1. Пайка конструкционных углеродистых и низколегированных 338 сталей
7.2. Пайка конструкционных высоколегированных сталей         339
7.3. Пайка чугунов                                           340
7.4. Пайка инструментальных сталей и твердых сплавов         341

6

7.5. Пайка никеля и его сплавов                            342
7.6. Пайка меди и ее сплавов                               343
7.7. Пайка титана и его сплавов                            344
7.8. Пайка тугоплавких металлов                            346
7.9. Пайка бериллия                                        350
7.10. Пайка алюминия и его сплавов                         350
7.11. Пайка магниевых сплавов                              352
7.12. Пайка металлов с неметаллическими материалами        353

РАЗДЕЛ IX. ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ РЕЗАНИЕМ
Глава 1. цели и задачи механической обработки                356
1.1. Основные сведения о процессе обработки металлов резанием 356
1.2. Виды обработки резанием                                 358
Глава 2. станки токарной группы                              361
2.1. Классификация и типы токарных станков                   361
2.2. Основные узлы токарно-винторезного станка               364
2.3. Обработка заготовок на токарно-револьверных станках     365
2.4. Токарно-карусельные и лобовые станки                  366
Глава 3. сверлильные и расточные станки                    368
3.1. Вертикально-сверлильные станки                        371
3.2. Радиально-сверлильные станки                          372
3.3. Развертывание                                         372
Глава 4. обработка на фрезерных станках                    373
4.1. Сущность фрезерования. Классификация фрез             373
4.2. Горизонтально-фрезерные станки                        375
4.3. Вертикально-фрезерные консольные станки               376
4.4. Продольно-фрезерные станки                            376

Глава 5. обработка на строгальных, долбежных, протяжных станках 377
5.1. Особенности обработки строганием и долблением         377
5.2. Строгальные станки                                    379
5.3. Обработка заготовок на долбежных и протяжных станках  380
Глава 6. обработка абразивными материалами                 382
6.1. Общие сведения                                        382
6.2. Абразивные материалы и инструменты                    383
6.3. Схемы шлифования                                      385
6.4. Отделочные методы обработки                           387
6.5. Тепловые явления при резании.                         389
    Применение смазочно-охлаждающих жидкостей
Глава 7. нарезание и отделка зубчатых колес                  391
7.1. Методы нарезания зубьев зубчатых колес                  391
7.2. Отделка зубчатых колес                                  393
Глава 8. обработка заготовок методами пластического          393
       деформирования
8.1. Сущность методов обработки пластическим деформированием 393

7

8.2. Формообразующие методы                               394
8.3. Упрочняюще-калибрующие методы!                       396
Глава 9. электрофизикохимические методы обработки          398
9.1. Электроэрозионные методы                             399
9.2. Электрохимическая обработка                          401
9.3. Ультразвуковая обработка                             403
9.4. Электронно-лучевая обработка                         404
Глава 10. основные направления автоматизации обработки     406
        на металлорежущих станках
10.1. Станки с программным управлением                     407
10.2. Обрабатывающие центры                                407
Глава 11. технологичность конструкций деталей машин        409

РАЗДЕЛ X. ПРОИЗВОДСТВО И ПРИМЕНЕНИЕ КОНСТРУКЦИОННЫХ неметаллических материалов
Глава 1. полимеры и пластические массы на их основе        414
1.1. Полимеры                                             419
1.2. Классификация и основные свойства пластмасс          421
1.3. Термопластичные пластмассы (термопласты)             428
1.4. Термореактивные пластмассы (реактопласты)            438
Глава 2. резины и материалы на их основе                   450
Глава 3. лакокрасочные материалы                           462
3.1. Классификация лакокрасочных покрытий                  462
3.2. Принципы выбора лакокрасочной композиции и технология 466 ее нанесения
Глава 4. клеящие материалы и особенности технологии склеивания 471
Глава 5. материалы на основе растительного сырья           477
5.1. Древесина и древесные материалы                      477
5.2. Бумажные материалы                                   482
5.3. Текстильные материалы                                483
Глава 6. стекла и другие силикатные материалы              488
6.1. Неорганические технические стекла                    489
6.2. Защитные и декоративные эмали                        492
6.3. Ситаллы и каменное литье                             493
6.4. Керамические материалы в машиностроении              497
6.5. Асбест и материалы на его основе                     500
Рекомендуемая литература                                   503

        ПРЕДИСЛОВИЕ



   Курс «Технология конструкционных материалов» вместе с другими общетехническими дисциплинами дает студентам необходимую общеинженерную технологическую подготовку, закладывает основы знаний, необходимых в работе как на производстве, так и в научно-исследовательских и проектных институтах. При проектировании конструкций, организации их эксплуатации и ремонте инженер-машиностроитель в повседневной работе сталкивается с конструкционными материалами, технологией изготовления деталей и их использованием, выбором того или иного типа инструмента для их обработки. Для успешного решения многих практических задач необходимы сведения о современных способах получения и обработки материалов, рациональных областях их применения.
   Технология конструкционных материалов является комплексной дисциплиной, в которой рассматриваются основные сведения о способах производства этих материалов и их обработке с целью получения деталей с заданными свойствами и конфигурацией, пригодных для использования в машинах и конструкциях.
   Различают две основные группы материалов: металлы и их сплавы и неметаллические материалы. Металлы и сплавы разделяют на черные и цветные. К черным металлам относятся железо и сплавы на его основе: сталь и чугун. К цветным относятся все остальные металлы: алюминий, медь, титан, магний, свинец, олово, никель и т. д. В современной технике используется не менее 65 наименований цветных металлов.
   Из всех металлов и сплавов наиболее важную роль в машиностроении играет сталь. Доля производства стали составляет 95 % всех металлических материалов. Широкая распространенность стали обусловлена тем, что она обладает редким сочетанием свойств. При сравнительно низкой стоимости сталь характеризуется высокой прочностью, пластичностью и вязкостью в сочетании с хорошими технологическими свойствами. Затраты энергии на производство единицы массы стальных деталей (их

9

энергоемкость) значительно ниже затрат на производство деталей из алюминия, титана и других металлов. Поэтому сталь широко используется во всех областях техники и объем ее производства характеризует экономический потенциал страны.
   Современное производство стали в мире составляет более 600 млн. т в год, и по крайней мере на ближайшее столетие сталь сохранит свое значение как важнейший конструкционный материал. Из других металлов наиболее интенсивно будет развиваться производство алюминия и его сплавов. Содержание железа в земной коре составляет 4,6 %, а алюминия — 8,8 %, т. е. почти в два раза больше. Хотя объем производства других цветных металлов и сплавов существенно меньше, без их применения было бы невозможно создание таких отраслей современной техники, как электротехническая промышленность, радио-, приборостроение, авиация, атомная, ракетно-космическая техника.
   Изучение курса «Технология конструкционных материалов» даст студенту знания о:
   —  сущности, структуре, ассортименте продукции, технических и экономических характеристиках основных технологических процессов в металлургии, машиностроении и других отраслях промышленности;
   —  основных показателях качества металлургической и машиностроительной продукции и их связи с технологическими факторами производства.
   Материал учебного пособия изложен с учетом необходимой взаимосвязи методов получения заготовок с их последующей обработкой на металлорежущих станках. Методам сварочного производства и обработке резанием уделено особое внимание, что соответствует их значению и объему в современном машиностроении.
   Авторы глубоко признательны рецензентам — коллективу кафедры «Исследование структуры и свойств материалов» Санкт-Петербургского государственного технического университета, а также докторам технических наук, профессорам Ю. В. Шахназарову и Е. И. Пряхину за ценные замечания и рекомендации, сделанные ими при рецензировании рукописи.

РАЗДЕЛ I____________________________


            ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ





           Глава 1

           ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ


Металлы и их сплавы повсеместно используются в конструкциях машин, оборудования, инструмента и т. д. Несмотря на широкий круг искусственно созданных материалов, керамики, клеев, металлы служат основным конструкционным материалом и в обозримом будущем по-прежнему будут доминировать.
   В природе металлы встречаются как в чистом виде, так и в рудах, оксидах и солях. В чистом виде встречаются химически устойчивые элементы (Pt, Au, Ag, Hg, Cu). Масса наибольшего самородка меди составляет 420 т, серебра — 13,5 т, золота — 112 кг.
   Из 109 открытых элементов, представленных в периодической системе элементов Д. И. Менделеева, только 22 являются неметаллами.
   Металлические материалы обычно делятся на две большие группы: железо и сплавы железа (сталь и чугун) называют черными металлами, а остальные металлы и их сплавы — цветными. Кроме того, все цветные металлы, применяемые в технике, в свою очередь делятся на следующие группы:
   • легкие металлы Mg, Be, Al, Ti с плотностью до 5 г/см³;
   • тяжелые металлы Pb, Mo, Ag, Au, Pt, W, Та, Ir, Os с плотностью, превышающей 10 г/см³;
   • легкоплавкие металлы Sn, Pb, Zn с температурой плавления соответственно 232, 327, 410 °С;
   • тугоплавкие металлы W, Мо, Та, Nb с температурой плавления существенно выше, чем у железа (> 1536 °С);
   • благородные металлы Au, Ag, Pt с высокой устойчивостью против коррозии;


11

    • урановые металлы, или актиноиды (актиниды), используемые в атомной технике;
    • редкоземельные металлы (РЗМ) — лантаноиды, применяемые для модифицирования стали;
    • щелочные и щелочноземельные металлы Na, К, Li, Ca в свободном состоянии применяются в качестве жидкометаллических теплоносителей в атомных реакторах; натрий также используется в качестве катализатора в производстве искусственного каучука, а литий — для легирования легких и прочных алюминиевых сплавов, применяемых в самолетостроении.
    Свойства металлов разнообразны. Ртуть замерзает при температуре — 38,8 °С, вольфрам выдерживает рабочую температуру до 2000 °С (Тпл = 3410 °С), литий, натрий, калий легче воды, а иридий и осмий более чем в 42 раза тяжелее лития. Электропроводность серебра в 130 раз выше, чем у марганца. Вместе с тем металлы имеют характерные общие свойства. К ним относятся:
    • высокая пластичность;
    • высокие тепло- и электропроводность;
    • положительный температурный коэффициент электрического сопротивления, означающий рост сопротивления с повышением температуры; сверхпроводимость многих металлов (около 30) при температурах, близких к абсолютному нулю;
    • хорошая отражательная способность (металлы непрозрачны и имеют характерный металлический блеск);
    • термоэлектронная эмиссия, т. е. способность к испусканию электронов при нагреве;
    • кристаллическое строение в твердом состоянии.
    Общее свойство металлов и сплавов — их кристаллическое строение, характеризующееся определенным закономерным расположением атомов в пространстве. Для описания атомно-кристаллической структуры используют понятие кристаллической решетки, являющейся воображаемой пространственной сеткой с ионами (атомами) в узлах.
    Атомно-кристаллическая структура может быть представлена не рядом периодически повторяющихся объемов, а одной элементарной ячейкой. Так называется ячейка, повторяющаяся во всех трех измерениях. Трансляцией этого наименьшего объема можно полностью воспроизвести структуру кристалла (рис. I.1).
    В кристалле элементарные частицы (атомы, ионы) сближены до соприкосновения. Для упрощения пространственное изображение принято заменять схемами, где центры тяжести частиц представлены точками. В точках пересечения прямых линий

12

Рис. 1.1. Кристаллическая решетка

располагаются атомы; они называются узлами решетки. Расстояния между центрами атомов, находящихся в соседних узлах решетки, называют параметрами или периодами решетки. Величина их в металлах порядка 0,1—0,7 нм, размеры элементарных ячеек 0,2 — 0,3 нм.
    На рис. I.2 показаны три типа элементарных ячеек кристалличе

ских решеток, наиболее характерных для металлов: объемноцен-трированная кубическая (ОЦК), гранецентрированная кубическая (ГЦК) и гексагональная плотноупакованная (ГП), а также схемы

упаковки в них атомов.
   В кубической гранецентрированной решетке (ГЦК; А1) атомы расположены в вершинах куба и в центре каждой грани (рис. I.2, а).
   В кубической объемноцентрированной решетке (ОЦК; А2) атомы расположены в вершинах куба, а один атом — в центре его объема (рис. I.2, б).
   В гексагональной плотноупакованной решетке (ГП; А3) атомы расположены в вершинах и центре шестигранных оснований призмы, а три атома — в средней плоскости призмы (рис. I.2, в).

Рис. I.2. Типы элементарных ячеек кристаллических решеток и схемы упаковки в них атомов:
а — обьемноцентрированная кубическая; б — гранецентрированная кубическая; в — гексагональная плотноупакованная решетка

13

   Некоторые металлы при разных температурах могут иметь различную кристаллическую решетку. Способность металла существовать в различных кристаллических формах носит название полиморфизма. Принято обозначать полиморфную модификацию, устойчивую при более низкой температуре, индексом а (а-Fe), при более высокой 0, затем у и т. д. Известны полиморфные превращения железа: Feₐ ^ FeY (а-Fe ^ y-Fe), титана: Tiₐ ^ TiY (а-Ti ^ y-Ti) — и других элементов. Температура превращения одной кристаллической модификации в другую называется температурой полиморфного превращения.
   При полиморфном превращении меняются форма и тип кристаллической решетки. Это явление называется перекристаллизацией . Так, при температуре ниже 911 °С атомы решетки ОЦК перестраиваются, образуя решетку ГЦК. На явлении полиморфизма основана термическая обработка.
   Идеальная кристаллическая решетка представляет собой многократное повторение элементарных кристаллических ячеек. Для реального металла характерно наличие большого количества дефектов строения, нарушающих периодичность расположения атомов в кристаллической решетке. Эти дефекты оказывают существенное влияние на свойства материала.
   Различают три типа дефектов кристаллического строения: точечные, линейные и поверхностные.
   Точечные дефекты (рис. I.3) характеризуются малыми размерами во всех трех измерениях. Величина их не превышает нескольких атомных диаметров. К точечным дефектам относятся: а) свободные места в узлах кристаллической решетки — вакансии; б) атомы, сместившиеся из узлов кристаллической решетки в межузельные промежутки, — дислоцированные атомы; в) атомы других элементов, находящиеся как в узлах, так и в междоузлиях кристаллической решетки, — примесные атомы.
   Точечные дефекты образуются в процессе кристаллизации под тепловыми, механическими, электрическими воздействиями,


а — вакансия; б — дислоцированный атом; в — примесный атом внедрения

14

Экстраплоскость р'

Рис. I.4. Краевая дислокация

Рис. I.5. Винтовая дислокация

а также при облучении нейтронами, электронами, рентгеновскими лучами.
    Линейные дефекты характеризуются малыми размерами в двух измерениях, но имеют значительную протяженность в третьем измерении. Наиболее важный вид линейных дефектов — дислокации (лат. dislocation — смещение).
    На рис. I.4 приведена схема участка кристаллической решетки с одной «лишней» атомной полуплоскостью, т. е. краевой дислокацией .
    Линейная атомная полуплоскость PQQ’P’ называется экстраплоскостью, а нижний край экстраплоскости — линией дислокации. Если экстраплоскость находится в верхней части кристалла, то дислокацию называют положительной и обозначают знаком "ь", если в нижней — то отрицательной и обозначают знаком "т". Различие между дислокациями чисто условное. Перевернув кристалл, мы превращаем положительную дислокацию в отрицательную. Знак дислокаций позволяет оценить результат их взаимодействия. Дислокации одного знака отталкиваются, а противоположного — притягиваются.
    Помимо краевых дислокаций в кристаллах могут образовываться и винтовые дислокации (рис. I.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, где сдвиг еще не происходил.
    Фактическая прочность. Дислокации образуются уже при кристаллизации металлов, а также в ходе пластической деформации и фазовых превращений. Плотность дислокаций может достигать большой величины. Под плотностью дислокаций р обычно понимают суммарную длину дислокаций SI, приходящуюся на единицу

15

объема V кристалла: р = Sl/V. Таким образом, плотность дислокаций р выражается в см/см³, или см⁻². Для отожженных металлов плотность дислокаций составляет величину 10³-10⁶ см⁻², после холодной деформации она увеличивается до 10п-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

Рис. I.6. Схема пластической деформации путем последовательного перемещения дислокации в простой кубической решетке:
а - исходное состояние краевой дислокации (X); б - контур Бюргерса вокруг дислокации; в - контур Бюргерса для неискаженной решетки после скольжения

16