Решение задачи: Вакансии или межузельные атомы в металле?

Задание 4 1. Присутствие каких точечных дефектов наиболее вероятно в металле – вакансий или межузельных атомов? Дайте пояснение. Наиболее вероятным является присутствие вакансий. Это объясняется тем, что энергия образования вакансии (уход атома из узла решетки на поверхность или во внешние слои) значительно меньше, чем энергия, необходимая для внедрения атома в тесное междоузлие кристаллической решетки. Согласно распределению Больцмана, равновесная концентрация вакансий \( n \) определяется формулой: \[ n = N \cdot e^{-\frac{Q}{kT}} \] где \( N \) — общее число узлов, \( Q \) — энергия образования дефекта. Так как для вакансий \( Q \) меньше, их количество в металле на несколько порядков выше, чем межузельных атомов. 2. Изложите понятие о температуре хрупко-вязкого перехода (температурном пороге хладноломкости). Какие факторы оказывают влияние на эту характеристику? Температурный порог хладноломкости \( T_{хр} \) — это узкий интервал температур, при котором происходит изменение характера разрушения металла с вязкого на хрупкое. При понижении температуры ниже этого порога металл теряет пластичность и разрушается при малых деформациях. Факторы, влияющие на \( T_{хр} \): — Химический состав (примеси фосфора, серы и кислорода повышают порог хладноломкости). — Размер зерна (укрупнение зерна повышает температуру перехода, делая металл более хрупким). — Скорость нагружения (увеличение скорости смещает порог в область более высоких температур). — Наличие концентраторов напряжений (надрезы, трещины). 3. Объясните, какую промежуточную операцию необходимо провести при волочении медной проволоки в несколько проходов для избежания ее разрыва. Какое явление при этом будет совершаться в деформированном металле и как будут меняться механические свойства? Необходимой промежуточной операцией является рекристаллизационный отжиг. В процессе волочения происходит наклеп (нагартовка) — упрочнение металла из-за искажения решетки и роста плотности дислокаций. При отжиге происходит явление рекристаллизации: образуются и растут новые равноосные зерна с малым количеством дефектов. Изменение свойств: пластичность (относительное удлинение \( \delta \)) восстанавливается и растет, а твердость \( HB \) и предел прочности \( \sigma_в \) снижаются до исходных значений. Это позволяет продолжать деформацию без разрушения. 4. Что принято понимать под напряжением Гриффитса? Дайте истолкование понятия хрупкая трещина. Напряжение Гриффитса \( \sigma_G \) — это критическое напряжение, при котором начинается самопроизвольное (нестабильное) распространение уже существующей трещины в хрупком теле. Оно определяется балансом между высвобождаемой энергией упругой деформации и затратами энергии на образование новых поверхностей трещины: \[ \sigma_G = \sqrt{\frac{2E\gamma}{\pi a}} \] где \( E \) — модуль Юнга, \( \gamma \) — удельная поверхностная энергия, \( a \) — полудлина трещины. Хрупкая трещина — это трещина, распространение которой происходит со скоростью, близкой к скорости звука, и не сопровождается заметной пластической деформацией у ее вершины. 5. Какой материал (1 или 2) имеет большее сопротивление упругой деформации? А малой пластической деформации? Дайте объяснение. Сопротивление упругой деформации характеризуется модулем упругости (тангенсом угла наклона прямой линии на графике). На графике линия материала 1 идет круче, чем линия материала 2. Следовательно, материал 1 имеет большее сопротивление упругой деформации. Сопротивление малой пластической деформации характеризуется пределом текучести (точкой перехода из прямой в кривую). На графике видно, что отклонение от линейности у материала 1 наступает при более высоком значении напряжения, чем у материала 2. Значит, материал 1 также обладает большим сопротивлением малой пластической деформации.