RZECZYWISTA STRUKTURA MATERIAŁÓW KRYSTALICZNYCH

(na przykładzie metali – największy wpływ defektów na właściwości)

● W strukturze występują zaburzenia w idealnym ułożeniu atomów nazywane

defektami

.

● Defekty mają istotny wpływ na własności fizyczne i mechaniczne metali.

- nie potrafimy ich uniknąć aby sięgnąć po teoretyczne właściwości kryształu,

-

wywołujemy je celowo

poprzez tworzenie stopów, obróbkę cieplną,

techniki wytwarzania aby otrzymać określone właściwości materiału

● W zależności od geometrii zaburzonego obszaru defekty dzieli się na:

•

punktowe

(wakanse, obce atomy),

•

liniowe

(dyslokacje),

•

powierzchniowe (płaskie)

- granice ziaren, granice międzyfazowe, błędy ułożenia.

Tajemnica właściwości i zachowania się materiałów tkwi w rodzaju wiązań między
atomami oraz w możliwości powstawania i ruchu defektów w ich strukturze.

(+)

(L.A. Dobrzański)

(+)

Defekty punktowe

● mogą powstawać samorzutnie w wyniku drgań cieplnych atomów,

wakans (defekt Schottky`ego)

atom w pozycji międzywęzłowej

powierzchnia kryształu

kontrakcja sieci

ekspansja sieci

(L.A. Dobrzański)

(+)

Ilość (stężenie) wakansów)

(opisuje logarytmiczna funkcja rozkładu Boltzmanna)

)

exp(

kT

q

A

N

n

w

−

≈

n – liczba wakansów (liczba atomów mających energię q

w

),

N – liczba atomów w krysztale,

q

w

– energia potrzebna do utworzenia wakansu,

k – stała Boltzmanna,

kT – średnia energia na jeden stopień swobody atomu,
A – stała proporcjonalności,

Równowagowa koncentracja
wakancji w aluminium.

(Broadshaw i Pearson)

temperatura topnienia

10

-15

w 20

O

C

(-+)

Odkształcenie plastyczne monokryształów

rozciągany monokryształ cynku

rozciągany monokryształ nitkowy Al

(K.Xia)

http://www.univie.ac.at/

(L.A. Dobrzański)

(+)

(płaszczyzna
poślizgu)

Odkształcenie plastyczne polikryształu

http://www.ndt-ed.org/EducationResources/

(+)

(pasma poślizgu)

(dr K.Xia)

(+)

linie poślizgu w ziarnach polikryształu

Odkształcenie plastyczne
w materiałach polikrystalicznych

ziarna wydłużają się

Linie i pasma poślizgu w stali austenitycznej (sieć A1) walcowanej na zimno
a) stopień gniotu 10%, b) stopień gniotu 50%, powiększenie mikroskopu 500x,

(-)

(R. Haimann))

Systemy poślizgu w kryształach

te same kierunki gęstego ułożenia atomów mogą leżeć na różnych płaszczyznach

poślizg zachodzi najłatwiej na płaszczyźnie najgęściej upakowanej atomami, wzdłuż kierunku
na którym się one stykają – razem tworzą one

system poślizgu

systemy łatwego poślizgu w sieciach A1, A2 i HZ

(R. Haimann)

(F. Staub)

(+-)

Teorie poślizgu (odkształcenia plastycznego)

● dawna, błędna teoria

poślizgu jednorodnego

(sztywnego)

- zakładano nieściśliwość kryształów oraz jednoczesny poślizg całych płaszczyzn,
- otrzymywano wyniki 10-1000 razy wyższe od obserwowanych w rzeczywistości,

stan wyjściowy

odkształcenie
sprężyste

odkształcenie
sprężyste oraz
plastyczne (trwałe)

stan końcowy

●

poślizg niejednorodny

– w 1934 r. niezależnie G.I. Taylor, E. Orowan, M. Polanyi,

- założono

sprężystą ściśliwość

kryształów,

- założono istnienie

defektów

(wtedy tylko dyslokacji krawędziowych), które

ułatwiają

poślizg

,

- otrzymano wyniki bliskie rzeczywistym (b. małe – dla monokryształu Fe około 15 MPa)

(R. Haimann)

(+)

Dyslokacja krawędziowa

kontur i wektor Burgersa (b)

dyslokacja krawędziowa dodatnia (┴ ) i ujemna (┬ )

(K. Xia)

wektor Burgersa

jest ┴ do linii dyslokacji,

linia dyslokacji

jest to krawędź urwanej w

krysztale półpłaszczyzny,

(L.A. Dobrzański)

(+)

http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/

dyslokacja krawędziowa przemieszcza się po ściśle określonej płaszczyźnie poślizgu w kierunku
działającego naprężenia stycznego, równolegle do wektora Burgersa,

Poślizg (ruch) dyslokacji krawędziowej

(dr K.Xia)

(+)

● sprężyste odkształcenie sieci wokół linii dyslokacji

+

rozciągnięcie (ekspansja sieci),

–

ściśnięcie (kontrakcja sieci),

+

_

●

siła potrzebna do wywołania poślizgu dyslokacji:

Τ = α G b

α – stała, zależna od czynników hamujących
ruch dyslokacji,
G – moduł Kirchoffa (stała sprężystości materiału),
b – wektor Burgersa,

● energia dyslokacji
(energia odkształceń sprężystych sieci)

E

dysl

= α G b

2

α – stała, zależna od rodzaju dyslokacji,

● wzajemne oddziaływanie dyslokacji
- jednoimienne odpychają się,
- różnoimienne przyciągają się
(anihilacja zmniejszająca energię układu),

(University of Virginia, Dept. of Materials Science and Engineering)

(+)

Badania dyslokacji metoda TEM (transmisyjny mikroskop elektronowy)

Spiętrzenie dyslokacji jednoimiennych przed przeszkodą

(wzrost oporu przeciwko dalszemu poślizgowi dyslokacji)

(za dr B. Kuźnicką)

●

umocnienie

– zjawisko wzrostu twardości i wytrzymałości oraz pogorszenie plastyczności

jest wynikiem spiętrzeń dyslokacji przed przeszkodami (granice ziaren, wydzielenia innych
faz, krzyżowanie się aktywnych systemów poślizgu, itd.)

(+)

Wspinanie się dyslokacji krawędziowych

(dodatnie)

(ujemne)

● zjawisko wspinania umożliwia rozładowywanie spiętrzeń dyslokacji,
- zmniejsza szybkość przyrostu umocnienia,
- zwiększa odkształcalność w zakresie plastycznym,

(L.A. Dobrzański-2004)

(-+)

Dyslokacja śrubowa

(Burgers 1939 r.)

● wektor Burgersa jest równoległy do linii dyslokacji S,
● pod działaniem naprężenia tnącego linia dyslokacji

S

S

przemieszcza się prostopadle do jego kierunku,
● linia dyslokacji S może ulegać poślizgowi poprzecznemu
(zmiana płaszczyzny poślizgu na inaczej ukierunkowaną),
● umownie wyróżniamy prawo- i lewoskrętne ( ),

S

poślizg poprzeczny dyslokacji śrubowej

(L.A. Dobrzański)

S

(+-)

(www.matter.org.uk)

Dyslokacja mieszana

● wektor Burgersa nie jest ani równoległy ani prostopadły do linii dyslokacji,

(L.A. Dobrzański)

(-+)

Mnożenie dyslokacji – źródło Franka-Reada

(L.A. Dobrzański)

obraz z TEM

(-+)

Źródło Franka-Reada wewnątrz ziarna oraz
spiętrzenie pętli dyslokacji przed granicami.

Umocnienie jako skutek
wzrostu gęstości dyslokacji.

(R. Haimann)

(+)

stal austenityczna (TEM)

mosiądz jednofazowy (TEM)

stal po obciążeniu cyklicznym (TEM)

h

tt

p

:/

/g

a

la

x

y

.u

c

i.

a

g

h

.e

d

u

.p

l/

~

b

la

z

(-)

w

w

w

.u

n

iv

ie

.a

c

.a

t/

m

a

te

ri

a

lp

h

y

s

ik

/E

M

/

(A. Krajczyk)

(A

.

K

ra

jc

zy

k

)