Nauka o materiałach Wykład I

Struktura rzeczywistych kryształów nie jest doskonała i

zawiera pewne wady, wywołujące określone

nieprawidłowości budowy i wpływające na ich własności.
Niektóre własności metali (np. gęstość, ciepło właściwe,

współczynnik rozszerzalności cieplnej) nie są wrażliwe na

strukturę i nie zmieniają się ani na skutek nieprawidłowej

struktury sieciowej pojedynczego kryształu, ani na skutek

obecności w nim domieszek obcych atomów, a w przypadku
budowy wielokrystalicznej

nie zależą od wielkości ziaren.

Większość jednak własności metali, a przede wszystkim

wytrzymałość i plastyczność, odporność na korozję,

przewodność elektryczna i przenikalność magnetyczna,

wyraźnie zależy od struktury. Wpływają na nie zarówno

wszelkie nieprawidłowości struktury sieciowej, jak i wielkość

ziaren, rozłożenie ich granic.



Rodzaj osnowy (rodzaj roztworu stałego,
struktura krystaliczna, skład chemiczny, wady)



Wielkość, kształt, i rozmieszczenie ziarn
(niejednorodność. Anizotropia własności
występuje kiedy elementy struktury są
ukierunkowane w sposób uprzywilejowany)



Rodzaj faz ( węgliki, azotki, fazy
międzymetaliczne), ich kształt, wielkość i
rozmieszczenie.



Rodzaj zanieczyszczeń (tlenki, siarczki, gazy)

W zwarcie wypełnionych sieciach krystalicznych

tworzą się, defekty punktowe, polegające na

powstawaniu wakansu i wywędrowaniu atomu,

który ten wakans utworzył, na powierzchnię

kryształu. Ten typ nazywa się

defektem

Schottky'ego

jest powszechny w kryształach

metali.

Przy określonej amplitudzie drgań atom może

wypaść ze swego średniego położenia w węźle

sieci i zająć pozycję międzywęzłową. Powstaną

wówczas jednocześnie dwa defekty punktowe:

wakans i atom wtrącony między węzłowo (

defekt

Frenkla

– występuje w metalach alkalicznych).

Liniowymi wadami budowy sieci krystalicznej są
dyslokacje. Do głównych rodzajów dyslokacji należą:



dyslokacje krawędziowe



dyslokacje śrubowe



dyslokacje mieszane

Decydują o umocnieniu materiału (gęstość dyslokacji),
o odkształceniu plastycznym i pękaniu.

Dyslokację krawędziową wywołuje obecność w
przestrzennej sieci krystaliczne dodatkowej
półpłaszczyzny obsadzonej atomami
(

ekstrapłaszczyzna), które krawędź stanowi

dowolna linia brzegowa, nazywana linią
dyslokacji.

W zależność od usytuowania dodatkowej

półpłaszczyzny rozróżnia się dyslokację
dodatnią, - i ujemną.

wyznacza granicę między przesuniętą i
nieprzesuniętą częścią kryształu. Granica ta
przebiega równolegle do kierunku poślizgu a nie
prostopadle, jak to ma miejsce w przypadku
dyslokacji krawędziowej.
W wyniku tego przesunięcia poszczególne
płaszczyzny atomowe przekształcają się w
powierzchnie śrubowe. Rozróżnia się dyslokacje
prawo-

skrętne i dyslokacje lewo-skrętne.

Metale i stopy techniczne, jak już wiadomo, są jednak
materiałami wielokrystalicznymi, złożonymi z wielkiej
liczby ziaren. Orientacja krystalograficzna tych ziarn
jest w zasadzie chaotyczna, toteż na granicy ziaren
spotykają się różnie zorientowane sieci przestrzenne,
ukierunkowane względem siebie pod dużymi kątami,
wynoszącymi najczęściej kilkanaście do
kilkudziesięciu stopni. Ułożenie atomów na granicy
ziaren jest uzależnione od działania obu stykających
się sieci krystalograficznych, w wyniku czego stanowi
pewną mikrostrukturę przejściową, nie odpowiadającą
orientacji ani jednego, ani drugiego ziarna

UMOCNIENIE

PĘKANIE

(DEKOHEZJA)

<temperatura < T

OBCIĄŻENIE

ODKSZTAŁCENIE

SPRĘŻYSTE

ODKSZTAŁCENIE

PLASTYCZNE

UMOCNIENIE

PĘKANIE

(DEKOHEZJA)

<temperatura < T

OBCIĄŻENIE

ODKSZTAŁCENIE

SPRĘŻYSTE

ODKSZTAŁCENIE

PLASTYCZNE

Dla materiałów sztywnych w pierwszym

etapie przy rosnących naprężeniach

materiały zachowują się sprężyście tj.

odkształcają się nietrwale.

W pewnym zakresie odkształcenie jest

proporcjonalne do naprężenia.



Najważniejszymi czynnikami, od których
zależy sposób odkształcenia materiałów,
są: skład chemiczny, struktura oraz
temperatura procesu.



W zależności od temperatury procesu
rozróżnia się odkształcenie na zimno oraz
odkształcenie na gorąco. Decyduje o tym
temperatura rekrystalizacji Tr, tj. procesu
który odbudowuje strukturę po zgniocie i
przywraca własności plastyczne

Trwałe odkształcenie materiału następuje w

wypadku gdy jeden element materiału

przemieści się pod wpływem naprężeń

ścinających względem drugiego elementu

zachowując cały czas spójność materiału

Odkształcenie polikryształów poniżej

temperatury rekrystalizacji, podobnie jak w
przypadku monokryształów, następuje w
wyniku



poślizgu oraz



bliźniakowania.

Dla odkształcenia plastycznego konieczne

jest występowanie dyslokacji i ich łatwe

przemieszczanie w sieci krystalicznej.

Gdy dyslokacja się przemieszcza

poszczególne wiązania musza ulegać

zerwaniu i odtwarzaniu. Wymaga to

pokonania pewnej siły.

Minimalną siłę jaką należy pokonać dla

uruchomienia dyslokacji nazywamy

krytycznym naprężeniem poślizgu dyslokacji.

Zjawiska zwiększające krytyczne naprężenie

poślizgu dyslokacji czyli zmniejszające

plastyczność materiału nazywamy

mechanizmami umocnienia materiału.



Defekty sieci krystalicznej osłabiają kryształ, a

odkształcenie plastyczne jest wynikiem

przemieszczania się w nim dyslokacji bądź już

istniejących, bądź powstających podczas

odkształcania.



Wytrzymałość pojedynczych kryształów jest

mniejsza niż materiałów polikrystalicznych,

ponieważ zaburzenia budowy sieciowej na

granicach ziarn

umacniają metal. Kryształy

zawierające dużą liczbę defektów są bardziej

wytrzymałe od kryształów z małą liczbą defektów.

Dzieje się tak dlatego, że w przypadku dużej liczby

defektów sieciowych ruch dyslokacji jest

hamowany na skutek wzajemnego przecinania się

dyslokacji, a także obecności przeszkód w postaci

innych defektów sieciowych, np. obcych atomów.

wytrzymałość rzeczywista metali zmniejsza się

wraz ze zwiększaniem liczby (gęstości)

dyslokacji i innych defektów sieciowych, tylko do

pewnej granicy i po osiągnięciu minimalnej

wartości, przy tzw. krytycznej gęstości dyslokacji

zaczyna ponownie wzrastać



Mają wpływ zarówno pozytywny jak i negatywny

na:



Procesy dyfuzji ( ważne np. w procesach obróbki

cieplnej, cieplno-chemicznej, korozji)



Własności mechaniczne (podwyższają np.

granicę plastyczności, wytrzymałość na

rozciąganie)



Umocnienie materiału (wzrost wytrzymałości,

spadek plastyczności),



podatność do obróbki plastycznej



pękanie

Mechanizmy umocnienia metali i stopów

l.p.

Mechanizm



0,3



0,4

1.
2.
3.

Umocnienie roztworu stałego
Umocnienie odkształceniowe
Umocnienie przez rozdrobnienie
ziarna
Umocnienie wydzieleniowe i
dyspersyjne
Umocnienie przez wykorzystanie
anizotropii makro i mikrostruktury

+
+
+

+/-

Wyrażając bardzo ogólnie umocnienie przez granicę plastyczności

wówczas jej wartość będzie wynikową przyrostów



R od każdego

mechanizmu.

Re = Ro +



Rr-r stały +







Rd +



Rfazy wt. +



Raniz. + (



Rp )

Gdzie:



Ro - naprężenie tarcia sieci czystego metalu.







- umocnienie zgniotowe (wzrost dyslokacji)





Rd – umocnienie przez rozdrobnienie ziarna





Rp – składowa od ziarn (kolonii) perlitu odnosi się

wyłącznie do stali węglowych i niskostopowych.







Wzór Halla- Petcha – im drobniejsze ziarno, tym

wyższa granica plastyczności



– naprężenie odpowiadające granicy

plastyczności materiału



– naprężenie tarcia swobodnych dyslokacji



k – współczynnik zależny od struktury materiału



d – średnia wielkość ziarna



W nowoczesnych, ekonomicznych pod

względem składu chemicznego stopach i

kompozytach szczególnie dużą rolę

spełnia mechanizm umocnienia

cząstkami drugiej fazy,



wytworzonej w wyniku obróbki

cieplnej (utwardzanie wydzieleniowe)

lub



wprowadzonej do metalu

mechanicznie w postaci proszkowej w

procesie tzw. utwardzania

dyspersyjnego.

Po przekroczeniu granicy sprężystości na wykresie

rozciągania do momentu utworzenia się szyjki na

próbce (Rm) występuje odkształcenie równomierne

opisane zależnością:





Gdzie

σ -

naprężenie

–

współczynnik umocnienia

–

wykładnik umocnienia

ε -

odkształcenie

Materiał

MPa

Granica plastyczności

Re [MPa]

Stal niskowęglowa -
wyżarzona do
tłoczenia

500

0,28

210

Stal 0,6% C
ulepszona cieplnie

1270

0,15

520

Miedź wyżarzona

320

0,54

CuZn30 wyżarzony

900

0,49

Al wyżarzone

180

0,20

Stop Al-Cu
utwardzony
wydzieleniowo

700

0,16

310

Wartości współczynników K oraz n reprezentujących podatność

do umocnienia, co oznacza również pogorszenie

odkształcalności

Twardość ciała to opór, jaki stawia ono w czasie

wciskania do niego wgłębnika.

Określenie granicy plastyczności w próbie

twardości

Podczas wciskania następuje lokalne

plastyczne (trwałe) odkształcenie materiału i

powstaje trwałe wgłębienie o kształcie

wgłębnika

Wyznaczana tą metodą twardość H jest

wielkością charakteryzującą materiał

związaną z jego właściwościami plastycznymi