MATERIAŁOZNAWSTWO Wydział Mechaniczny, Mechatronika, sem. I. dr inż. Hanna Smoleńska

Transkrypt

1 MATERIAŁOZNAWSTWO Wydział Mechaniczny, Mechatronika, sem. I dr inż. Hanna Smoleńska

2 Defekty struktury

3 Defekty struktury krystalicznej są to każdego rodzaju odchylenia od idealnej struktury. Najczęściej stosowana klasyfikacja dzieli defekty w zależności od ich charakterystycznego wymiaru na: defekty punktowe, defekty liniowe, defekty powierzchniowe. Występowanie defektów struktury jest odpowiedzialne za szereg charakterystycznych cech ciał krystalicznych: defekty punktowe odpowiadają za szybkość dyfuzji atomów w sieci, defekty liniowe za odkształcanie tworzyw metalowych pod wpływem sił znacznie niższych od powodujących zniszczenie (dekohezję) materiału, ale także za plastyczność metali, defekty powierzchniowe w pewnej mierze za umocnienie materiału, tj. wzrost oporu materiału stawiany działającej sile w trakcie odkształcenia plastycznego.

4 Defekty punktowe Wakanse: wolne węzły Atomy międzywęzłowe W stopach: atomy domieszek (obce)

5 Defekty punktowe w kryształach jonowych

6 Defekty punktowe to wakanse (luki) i atomy (jony) miedzywęzłowe Wakans to brak atomu (jonu) w węźle sieci krystalicznej. W danej temperaturze istnieje zawsze określona liczba wakansów. Defekty te powstają w wyniku drgań sieci, o amplitudzie wzrastającej z temperaturą, które powodują wypadanie pewnej liczby atomów (jonów) ze swoich położeń równowagi. Tworzy się zawsze para defektów atom (jon) międzywęzłowy (wytrącony) wakans.

7 Ruch atomów

8 Kation międzywęzłowy Wakans kationowy Wakans anionowy

9 Mechanizm powstawania wakansów zależy od miejsca zajmowanego przez atom (jon) wytrącony z położenia równowagi. W modelu Schottky`ego dokonuje on wyjścia na swobodną powierzchnię kryształu, natomiast w modelu Frenkla atom z węzła sieci zajmuje położenie międzywęzłowe. Defekt Schottky ego Defekt Frenkla

10 Zanieczyszczenia międzywęzłowe anionowe Różnowęzłowe anionowe różnowęzłowe kationowe

11 Wady struktury krystalicznej defekty punktowe

12 Wady struktury krystalicznej - punktowe wakans i kontrakcja sieci T 20 =10-18 T t =10-4 defekty Frenkla Atomy (jony) międzywęzłowe wywołują wzrost parametru sieci (ekspansję) i lokalne naprężenia ściskające. Atomy (jony) substytucyjne większe od atomów rozpuszczalnika wywołują ekspansję i naprężenia ściskające, a mniejsze kontrakcję i naprężenia rozciągające.

13 Wady struktury krystalicznej defekty punktowe

14 Wady struktury krystalicznej defekty punktowe

15 Dyslokacje Główne rodzaje: krawędziowe, śrubowe, mieszane Dyslokacje całkowite (doskonałe) i częściowe Kontur Burgersa i wektor Burgersa: wektor zamykający kontur Burgersa

16 Dyslokacja krawędziowa zaburzenie struktury kryształu powstające wskutek utworzenia się dodatkowej półpłaszczyzny (lub wyjęcie takiej półpłaszczyzny), zwanej ekstrapłaszczyzną. Szereg atomów kończących półpłaszczyznę nazywa się osią dyslokacji. W zależności od położenia dodatkowej półpłaszczyzny, dyslokacje mogą być dodatnie i ujemne T.

17 Wielkość dyslokacji i wywołane nią odkształcenie charakteryzuje wektor Burgersa b. Jeżeli w krysztale wokół osi dyslokacji wykreślić kontur Burgersa, to pozostanie on niedomknięty. Domknięcie można uzyskać wykreślając wektor Burgersa skierowany przeciwnie do kierunku ostatniego odcinka. Kierunek wektora Burgersa jest prostopadły do linii dyslokacji krawędziowej i w przypadku dyslokacji doskonałej ma wartość równą odległości między dwoma najbliższymi atomami. Liczba dyslokacji (gęstość dyslokacji) - łączna ilość linii wszystkich dyslokacji w jednostce objętości. Wartości w metalach: od 1 dyslokacji śrubowej w wiskerach, poprzez 10 6 dyslokacji w 1 cm 3 w metalach wyżarzonych, do dyslokacji w 1 cm 3 w silnie zdeformowanych.

18 Wady struktury krystalicznej liniowe dyslokacja krawędziowa b wektor Burgersa D C Kierunek poślizgu A B Pod wpływem przyłożonego naprężenia następuje w krysztale poślizg obejmujący nie całą płaszczyznę, a tylko jej część ABCD. Granica strefy poślizgu AD prostopadła do wektora Burgersa stanowi dyslokację krawędziową.

19

20 Ruch dyslokacji krawędziowej Poślizg Wspinanie (zstępowanie)

21

22 Wspinanie dodatnie w wyniku dyfuzji wakansów do dyslokacji

23 Wspinanie dodatnie w wyniku dyfuzji atomów do dyslokacji

24 Dyslokacja śrubowa Wektor Burgersa równoległy do linii dyslokacji Prawo- i lewoskrętne

25 Wady struktury krystalicznej liniowe cd. τ B A Q b D C τ Jeżeli część kryształu przesuniemy względem pozostałej części wzdłuż płaszczyzny Q równolegle do jej krawędzi CD o wielkość jednego parametru sieciowego to płaszczyzny sieciowe doznają ugięcia, przy czym krawędź każdej z tych płaszczyzn pokryje się z krawędzią najbliższej dolnej płaszczyzny. W krysztale powstanie jak gdyby 1 płaszczyzna atomowa, skręcona na kształt spirali, której osią jest prosta CD, stanowiąca linię dyslokacji.

26 Przemieszczanie dyslokacji śrubowej

27 Dyslokacje mieszane B mieszana śrubowa mieszana A krawędziowa kierunek poślizgu krawędziowa A B mieszana śrubowa mieszana

28

29 Dyslokacja krawędziowa [110]

30 Dyslokacja krawędziowa [111]

31 Sposób zapisywania wektora Burgersa dyslokacji b = ca u v w Gdzie: c ułamek określający translację sieci w danym kierunku a parametr sieci Kierunek i zwrot określany jest przez wskaźniki sieciowe kierunku. W krysztale sieci A1 wektor Burgersa może łączyćśrodek atomu w narożu komórki ze środkiem atomu centrującego ścianę. W jednym z takich przypadków wektor Burgersa można zapisać jako b = a/

32 Sposób zapisywania wektora Burgersa dyslokacji cd. b = a/ /2 y Długość wektora Burgersa określana jest przez wyrażenie: 1/2 b = ca (u 2 +v 2 +w 2 ) ½ b 2 a a = = a 2 x

33 Sposób zapisywania wektora Burgersa dyslokacji cd. [001] [221] [111] b = b = b = a 111 a a 001 Energia dyslokacji jest proporcjonalna do wektora Burgersa w kwadracie Dyslokacje o mniejszej wartości w. Burgersa są bardziej ruchliwe

34 Naprężenie tarcia sieci Naprężenie tarcia sieci Peierlsa-Nabarro: τ o = 2µ/K exp (-2πd/Kb) K = 1 dla dysl. krawędziowej, K=1-ν (wsp.poissona) dla śrubowej, µ - moduł sprężystości postaciowej, d odległość między płaszczyznami poślizgu, b wektor Burgersa Krytyczne naprężenie poślizgu jest większe od naprężenia tarcia sieci, jeżeli dyslokacja napotyka na przeszkody: węzły dyslokacyjne, atomy obce, wydzielenia faz

35 Oddziaływanie między dyslokacjami Dwie jednoimienne dyslokacje w tej samej płaszczyźnie poślizgu odpychają się, dwie dyslokacje o przeciwnych wektorach Burgersa przyciągają się. Uskok na linii dyslokacji leżący w płaszczyźnie poślizgu dyslokacji przegięcie, natomiast powodujący przesunięcie dyslokacji z jednej płaszczyzny na drugą próg. Węzły dyslokacyjne są wynikiem spotkań dyslokacji, podobnie siatka dyslokacji

36

37 Uskoki dyslokacyjne Dyslokacje przemieszczające się w nierównoległych płaszczyznach poślizgu przecinają się wzajemnie tworząc w każdej z płaszczyzn uskok. Wyróżnia się dwa rodzaje uskoków: przegięcia i progi. - uskok na linii dyslokacji leżący w płaszczyźnie poślizgu dyslokacji próg uskok na linii dyslokacji powodujący przesunięcie dyslokacji z jednej płaszczyzny poślizgu na inną Dyslokacje obarczone uskokami są mniej ruchliwe, gdyż wleczenie uskoków wytwarza rzędy wakansów i atomów międzywęzłowych

38 Rozmnażanie dyslokacji Gęstość dyslokacji: długość linii dyslokacyjnych na jednostkę objętości kryształu (warunki równowagi) do m -2 (w zaburzonej równowadze np. po obróbce plastycznej) Mechanizmy: źródła Franka-Reada, poślizg poprzeczny

39 źródło Franka-Reada Odcinek krzywoliniowy pętli dyslokacji ABCD przemieszczającej się w płaszczyźnie poślizgu napotyka wydzielenia obcej fazy i punkty B i C ulegają zakotwiczeniu na nich. Przyłożone naprężenie styczne powoduje wygięcie się zakotwiczonego odcinka BC aż do zetknięcia się przeciwległych odcinków utworzonej pętli i jej zamknięcia. Jednocześnie między punktami BC tworzy się nowy zakotwiczony odcinek dyslokacji, który powoduje wytworzenie następnej pętli.

40 Inny mechanizm powstawania dyslokacji Koniec A jest zakotwiczony a drugi koniec wychodzi na powierzchnię swobodną kryształu. Po przyłożeniu naprężenia stycznego niezakotwiczony koniec porusza się wielokrotnie wokół zakotwiczonego końca co powoduje duże poślizgi w płaszczyźnie dyslokacji AB

41 Defekty powierzchniowe Błędy ułożenia, Powierzchnie wewnętrzne kryształów (np. granice ziaren, granice bliźniaków i granice międzyfazowe), Powierzchnie zewnętrzne kryształów.

42 Błędy ułożenia Powstają wskutek: kondensacji wakansów, zaburzonego wzrostu kryształu, odkształcenia plastycznego Mogą być: zewnętrzne i wewnętrzne

43

44

45 Energia Błędu Ułożenia (EBU) niektórych metali i stopów o sieci A1 i A2 Im mniejsza EBU: - tym większa jego szerokość, - tym mniejsza możliwość zajścia poślizgu poprzecznego, - tym większy współczynnik umocnienia metalu podczas odkształcania na zimno.

46 Reakcje i bariery dyslokacyjne Dyslokacje całkowite (doskonałe); ruch nie powoduje zmian w pozycjach atomów Dyslokacje częściowe (kątowe); ruch powoduje zmiany położeń atomów Dysocjacja dyslokacji całkowitych (rozszczepienie na dyslokacje częściowe) Rekombinacja dyslokacji częściowych (łączenie w dyslokację całkowitą) Bariery dyslokacyjne reakcje między dyslokacjami znajdującymi się na różnych płaszczyznach poślizgu i spotykającymi się na ich przecięciu- sieci A1 Reakcje dyslokacyjne- j.w. sieci A2 i A3

47 Dyslokacje całkowite i częściowe b wektor Burgersa D C Kierunek poślizgu A B

48 Schemat rozszczepienia dyslokacji Warunek dysocjacji: b 1 2 > b b 3 2 Warunek rekombinacji: b b 2 2 > b 3 2

49 Polikrystaliczna struktura metali Monokryształy i polikryształy Ziarna: części kryształu o prawidłowej strukturze krystalicznej o osiach nachylonych względem siebie o kąt dezorientacji Granice wąskokątowe i szerokokątowe Granice koherentne, niekoherentne i półkoherentne

50 Monokryształy charakteryzują się prawidłowym rozmieszczeniem przestrzennym atomów z zachowaniem jednakowej orientacji wszystkich elementarnych komórek sieciowych w całej objętości kryształu. Są to ciała anizotropowe. Materiały rzadko wykazują strukturę monokryształów. Materiały techniczne są zwykle polikryształami, składającymi się z ziaren, z których każde ma w przybliżeniu prawidłową prawidłową strukturę krystaliczną. Przypadkowa orientacja krystaliczna poszczególnych ziaren powoduje, że polikryształy są ciałami quasi-izotropowymi. Wielkość ziaren w metalach technicznych µm. W obrębie ziarna można wyróżnić poddziarna, ułożone względem siebie pod małymi kątami, od kilku minut do kilku stopni.

51 Struktura polikrystaliczne metali

52 Defekty złożone - granice ziaren oddzielają ziarna różniące się orientacją krystaliczną a także składem: a) granice wąskokątowe b) granice szerokokątowe Łączy kryształy o wspólnym kierunku krystalograficznym do granicy Łączy kryształy o wspólnym kierunku sieciowym do granicy

53 Wąskokątowa granica daszkowa o kącie dezorientacji Θ Wąskokątowe granice ziaren - obszary dwóch sieci krystalicznych stykających się ze sobą pod kątem nie większym niż kilkanaście minut do 2. Są to najczęściej zespoły dyslokacji krawędziowych jednakowego znaku, położonych jedna nad drugą.

54 Szerokokątowe granice ziaren - obszary o grubości kilku odległości międzyatomowych. Atomy w obrębie obszaru granicznego mają budowę bezpostaciową.

55 Granice między ziarnami różnych faz nazywają się granicami międzyfazowymi. Dzieli się je na: koherentne (a), niekoherentne (b) i półkoherentne (c). Wg.: L.A. Dobrzański, Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo WNT, Gliwice - Warszawa 2002

56 Wpływ defektów na własności metali Występowanie dyslokacji w sposób istotny wpływa na własności wytrzymałościowe i plastyczne metali. Obliczenia teoretyczne wykazują, że metale o idealnej budowie krystalicznej powinny posiadać wytrzymałość determinowaną siłą wiązania atomowego, a więc dwa do trzech rzędów wielkości wyższą od obserwowanej dla metali technicznych. Różnice przypisuje się występowaniu zjawiska plastyczności. O ile przykładowo w ceramikach siła wywołująca zniszczenie materiału niezbędna jest do zerwania wszystkich wiązań naraz w pewnej określonej płaszczyźnie, o tyle w przypadku metali przyłożenie znacznie mniejszej siły wystarcza w zupełności do wywołania poślizgu dyslokacji. Poślizg dyslokacji nie oznacza przy tym ruchu atomów; przeciwnie, proces ten jest równoznaczny jedynie ze zrywaniem w określonym momencie wiązań tylko szeregu atomów bliskich osi dyslokacji.

57 Własności metali a ich budowa atomowa Własności wytrzymałościowe Gęstość dyslokacji i innych wad Na własności wytrzymałościowe wpływają: 1) Siły wiązań międzyatomowych 2) Gęstość dyslokacji i defektów 3) Wielkość ziarna 4) Submikroskopowe wydzielenia faz, których obecność na płaszczyznach poślizgu utrudnia odkształcenie

58 Odkształcenie metali F m F=0 F e F s Siła F F=0 u R m = R e = F m A 0 F e A 0 Odkształcenie u A l l = l z = 0 A A A % 100% l 0 A 0

59

60

61