Все материалы так или иначе далеки от тех механических свойств, которые нам хотелось бы увидеть. Совершенству нет границ, поэтому, основной задачей материаловедения является повышение механических свойств самыми разными способами. Какие из них используют ученые чаще всего?
Существуют стандартные подходы к повышению показателей этих свойств. Давайте на примере металлических материалов посмотрим, как это работает. Логика, характерная для металлов, будет работать и для других типов материалов в той или иной степени. Но с металлами всё чуть проще благодаря характерной структуре.
Что оказывает влияние на свойства материала
Для начала хорошо было бы понять, почему материал вообще ломается или имеет низкие показатели свойств. Тут всё строится на логике существования дефектов. Чем больше дефектов тем легче материал сломать. Трещина, которая приводит в итоге к излому, начинает расти именно в точке существования наиболее неприятного дефекта структуры, где в данный момент неудачно совпали показатели. Это важно отметить, потому что не всегда одинаковая проблема в структуре приведет к повреждению.
Напомню, что к дефектам относятся такие штуки, как границы зерен (то место, где один кристаллик соединяется с другим), дислокации (пространство между слоями кристаллической решетки, которое связано хуже и представляющее плоскость), примесные атомы (всё из одного материала, а примесь другая), вакансии и подобные артефакты. Мы уж не говорим о таких макродефектах, как поры или микротрещины.
Вспомним про дислокации
Отдельно тут стоит напомнить про дислокации. Что такое дислокация, если кратко?
Когда кристалл формируется, его решетка выстраивается определенным образом и формирует стандартную картинку решетки.
Пусть упрощенно это две параллельных плоскости. Но в какой-то момент между этими плоскостями появляется третья. Ведь всё в природе подвижно и условно. Вот и выходит, что было у нас две плоскости, а потом между ними с какого то момента стало три! Так как эта третья плоскость не протягивается на длину всего кристалла, она является дефектом и при деформации может ездить между уже существующими слоями.
Все современные подходы сводятся в итоге к трём принципиальным вариантам:
- Создание материала, в котором не будет дефекта, что граничит с созданием монокристалла и является пока не совсем-таки достижимой задачей в масштабах именно производства
- Торможение движущихся плоскостей внутри кристаллов или создание препятствий дислокациям
- Создание условий, благоприятных для формирования гомогенной структуры, что исключит резкий перепад свойств
Самый сложный вариант — это пункт два. Для того, чтобы реализовать эти виды упрочнений можно применить такие приемы, как деформационное упрочнение, упрочнение границами зерен, упрочнение дисперсными частицами или включение примесных атомов, которые помешают движению дислокации. Все эти методики играют с дислокациями.
Деформационное упрочнение
Деформационное упрочнение — это такие приемы, как дробеструйка или формирование наклепа. Образец обрабатывается дробью, вылетающей из специального устройства и оно бьет по поверхности образца. Можно образец положить под пресс или подвергнуть ковке. Вспомним, как делали мечи в своё время кузнецы в кузнице. При наклепе или деформационном упрочнении те самые дислокации, которые уже есть в материале, начинают перемещаться и упираются в некоторый предел. Если предел не перешагнуть, то материал и не сломается. Зато вот такая «пробка», которая появилась из подвинутых дислокаций, не даёт перемещаться и другим дислокациям. Происходит упрочнение.
Упрочнение границами зерен
Следующий вариант — это упрочнение границами зерен. Мы помним, что граница зерна есть дефект. Это место, где соединились два кристаллика со своей структурой. Это точка, где сила связи меньше. Но а заодно это и граница, которую не может перепрыгнуть дислокация. Именно поэтому увеличение количества границ есть путь к упрочнению. Отсюда и появление высоких показателей свойств у мелкозернистых сталей. Границ много и упираться есть много во что.
Упрочнение включениями
Ещё дислокацию можно остановить атомами или включениями. Представьте, что дислокация начинает перемещаться и упирается во включение, через которое проехать не может. Она останавливается и образуется опять пробка дислокаций. Таким включением может быть например карбид в небезызвестном сплаве победит. Примесные атомы работают аналогичным способом но на менее крупном уровне.
По этой логике работает и старая добрая закалка, поскольку формируются иглы мартенсита и она являются серьезной границей для движения дислокаций.
В общем-то, все остальные приемы упрочнения используют аналогичные методики. Значит, изучив описанные подходы вы будете понимать и все способы упрочнения.
Видео по теме У меня есть ещё много интересных статей, буду рад поделиться.
