Politechnika Śląska 2.XII.2000r.

Wydział Mechaniczny Technologiczny

Mechanika i Budowa Maszyn

Grupa 6

Podstawy nauk o materiałach.

Temat ćw.: Rzeczywista struktura metali.

Wykonał:

Roman Zawisz

1. Wady budowy krystalicznej i ich wpływ na własności metali.

Klasyfikacja wad budowy krystalicznej. W rzeczywistości metale i kryształy innych pierwiastków wykazują skończone wymiary i liczne wady budowy krystalicznej. Najogólniej wady te ze względu na ich cechy geometryczne można podzielić na:

• punktowe,

• liniowe,

• powierzchniowe.

Wpływ wad budowy krystalicznej na własności metalu. Wady budowy krystali­cznej w istotny sposób wpływają na własności wytrzymałościowe i plastyczne metali. Obliczenia teore­tyczne wykazują, że najlepszymi własnościami wytrzymałościowymi powinny cechować się metale o idealnej budowie krystalicznej, a ich wytrzymałość powinna przewyższać około 1000-krotnie wytrzymałość metali technicz­nych. Potwierdza to fakt, że bardzo duże włas­ności uzyskują kryształy włoskowate, tak zwa­ne wiskery, tj. monokryształy o jednej tylko dyslokacji śrubowej. Dążenie do ograniczenia wad budowy krystalicznej jest jednak technicz­nie bardzo trudne. Natomiast praktyczna me­toda umacniania metali polega na znacznym zwiększeniu gęstości wad budowy krystalicznej, co można osiągnąć przez stosowanie stopów metali o strukturze polikrystalicznej, w wyniku rozdrobnienia ziarn, wydzielenia faz o dużej dyspersji, a także przez zgniot wskutek odkształcenia plastycznego na zimno. Osiągnięciu tego celu sprzyjają więc procesy technologiczne odlewania, obróbki plastycznej i obróbki cieplnej, omówione w kolej­nych częściach podręcznika.

2. Wady punktowe budowy krystalicznej.

Wakanse i atomy międzywęzłowe. Do wad punktowych, cechujących się niewielkimi wymiarami we wszystkich kierunkach, należą wakanse, tj. wolne węzły w sieci krystalicznej, oraz atomy międzywęzłowe, które zajęły pozycje w lukach, opuszczając węzły sieci na skutek drgań ciepl­nych. Obecność zarówno wakansów, jak i atomów międzywęzłowych, powoduje wokół nich lokal­ne odkształcenie sieci przestrzennej kryształu, zwane odpowiednio kontrakcja lub ekspansja.

Mechanizmy tworzenia wad punktowych. Liczba wad punktowych budowy krystalicznej jest funkcja temperatury. Podwyższeniu tempe­ratury towarzyszy wzrost amplitudy drgań cieplnych, co ułatwia opusz­czenie przez rdzenie atomowe pozy­cji w węźle sieci krystalicznej. Po­nieważ nasilenie tych zjawisk nastę­puje wraz ze wzrostem temperatury, dlatego są nazywane procesami aktywowanymi cieplnie. Wyróżnia się dwa mechanizmy:

• defekt Schottky'ego,

• defekt Frenkla.

Defekt Schottky'ego. Pierwszy mechanizm zwany defektem Schottky'ego, polega na przemieszczaniu się atomu w miejsce są­siadującego wakansu, v, wyniku czego powstaje wakans w innym miejscu sieci

Defekt Frenkla. Drugi mechanizm, związany z jednoczesnym utworzeniem wa­kansu i atomu międzywęzłowego, jest nazywany defektem Frenkla i polega na przemieszczaniu się rdzenia atomowego z pozycji węzłowej do przestrzeni międzywęzłowej.

Samodyfuzja. Wakanse, utworzone m.in. w wyniku omówionych procesów, mogą się prze­mieszczać w sieci krystalicznej metalu. W istocie ruch wakansów jest związany z ruchem atomów, opuszczających pozycje węzłowe. Zjawisko

przemieszczania się atomów we własnej sieci krysta­licznej jest nazywane samodyfuzją.

3. Dyslokacje i ich własności.

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

• dyslokacje krawędziowe

• dyslokacje śrubowe

• dyslokacje mieszane

Dyslokacja krawędziowa. Dyslokacja krawędziowa stanowi krawędź ekstrapłaszczyzny, tj. półpłaszczyzny sieciowej umieszczonej między nieco rozsuniętymi płaszczyznami sieciowymi kryształu o budowie prawidłowej. W zależności od położenia dodatkowej płaszczyzny dyslokacje mogą być ujemne, bądź dodatnie.

Kontur i wektor Burgersa. Wielkość dyslokacji i wywołane nią odkształcenie charakteryzuje wektor Burgersa b. Wektor ten wyznacza się tworząc tzw. kontur Burgersa. Wykreślony w krysztale idealnym kontur Burgersa zamyka się tworząc r6wnoległobok. Gdy w krysztale występuje dyslokacja, czworobok konturu Burgersa wykreślonego wokół linii dyslokacji nie zamyka się. Niezależnie od sposobu poprowadzenia konturu Burgersa jego niezamknięta część będzie taka sama i równa wektorowi Burgersa b. Dyslokacja krawędziowa ma wektor Burgersa b prostopadły do swej linii.

Poślizg dyslokacji. Dyslokacje krawędziowe leżące w płaszczyznach najgęściej obsadzonych atomami będących płaszczyznami poślizgu, przemieszczają się pod działaniem naprężenia stycznego. Górna część pła­szczyzny sieciowej, położona nad płaszczyzna poślizgu, staje się ekstrapłaszczyzną w wyniku przemie­szczenia atomów z położenia B do B'. W wyniku tego dyslokacja kra­wędziowa przemieszcza się z poło­żenia A do B', tj. o wartość wekto­ra Burgersa b. Przemieszczanie dy­slokacji w płaszczyźnie poślizgu pod działaniem naprężeń stycznych przebiega w opisany sposób aż do powierzchni kryształu, na której tworzy się uskok o wielkości b. Jednoczesne przemie­szczanie się w jednej płaszczyźnie poślizgu dyslokacji dodatniej i ujemnej powoduje utworzenie usko­ków na obu przeciwległych powie­rzchniach kryształu.

Wspinanie dyslokacji. Dyslokacje kra­wędziowe przemieszczają się rów­nież przez wspinanie, które można podzielić na:

- wspinanie dodatnie, zwane zwykle wspinaniem,

- wspinanie ujemne, zwane zwykle zstępowaniem.

Mechanizm wspinania dodatniego polega na dołączaniu się atomów do krawędzi ekstrapłaszczyzny i przemieszczaniu się ich drogą dyfuzji do wakansów. Proces odwrotny, zwany wspinaniem ujemnym lub zstępowaniem, polega na przyłączaniu się dyfundujących atomów do krawędzi ekstrapłaszczyzny. Procesy te są związane z dyfuzyjnym transportem masy i dlatego wspinanie dyslokacji wymaga aktywacji cieplnej, czyli podwyższenia temperatury.

Dyslokacja śrubowa. Dyslokacja śrubowa to defekt liniowy struktury krystalicznej spowodowany przemieszczeniem części kryształu wokół osi, zwanej linią dyslokacji śrubowej. Wektor Burgersa b dysloka­cji śrubowej jest ró­wnoległy do jej linii. Wokół dyslokacji śrubowej występuje jedynie postaciowe odkształ­cenie sieci krystali­cznej. Dyslokacje śrubo­we mogą być prawoskrętne lub lewoskrętne.

Poślizg związany z ruchem dyslokacji śrubowej polega na przemieszczaniu się linii dyslokacji śru­bowej w głąb krysz­tału, prostopadle do działania naprężenia stycz­nego.

Dyslokacje mieszane. Dyslokacje o dowolnej orientacji wektora Burgersa b względem linii dyslokacji noszą nazwę miesza­nych. Można je traktować jako nałożone na siebie dyslokacje krawędziowe i śrubowe. Dyslokacje tworzą w obrębie kryształu zam­knięte pętle, które nie mogą być przerwane, chyba że wyjdą na powierzchnię. Krzywolinio­we odcinki pętli są dyslokacjami mieszanymi, natomiast odcinki pętli, do których wektor Burgersa jest prostopadły lub równoległy, są odpowiednio dyslokacjami krawędziowymi lub śrubowymi.

Natężenie tarcia sieci. Dyslokacje znajdujące się w płaszczyźnie poślizgu przemieszczają się pod działaniem naprężeń stycznych większych od krytycznych. Krytyczne naprężenie styczne poko­nuje opory stawiane przez kryształ przemieszczającej się dyslokacji, wynikające z reliefu na płaszczyźnie poślizgu związanego z translacyjnym rozmieszczaniem atomów w sieci krystalicznej.

Krytyczne naprężenie poślizgu jest większe od naprężenia tarcia sieci, jeżeli dyslokacja napotyka na przeszkody w płaszczyźnie poślizgu, takie jak m.in.:

• węzły dyslokacyjne,

• atomy obce,

• dyspersyjne wydzielenia faz.

W stopach technicznych przeszkody te są wprowadzane celowo, aby zwiększyć własności wytrzy­małościowe. Przeszkody te można również podzielić na:

• zlokalizowane (punktowe), zatrzymujące dyslokacje w punktach, pomiędzy którymi zako­twiczone odcinki dyslokacji wyginają się w łuk,

• liniowe, które blokują odcinek dyslokacji na długości przeszkody,

• objętościowe, które wyzwalają mechanizmy rozpraszające energię. W zależności od rodzaju, wielkości i rozmieszczenia przeszkód oraz ich wskaźnika sprężystości postaciowej mogą występować różne atermiczne i aktywowane cieplnie mechanizmy ich pokony­wania przez dyslokacje.

Poślizg poprzeczny dyslokacji śrubowych. Dyslokacje śru­bowe mają zdol­ność do omijania przeszkód za pośre­dnictwem poślizgu poprzecznego po­legającego na zmianie płaszczyzny poślizgu na płaszczyznę przecinająca się z płaszczyzną podstawową pośliz­gu. Poślizgu poprzecznego mogą rów­nież doznać śrubowe segmenty pętli dyslokacyjnej w przypad­ku, gdy wektor Burgersa pętli dyslo­kacyjnej leży w jej płaszczyźnie pośli­zgu, która jest jednocześnie płaszczy­zną tej pętli.

Podwójny poślizg poprzeczny wy­stępuje w przypadku, gdy dyslokacja śrubowa w wyniku kolejnego poślizgu poprzecznego przemieści się do płasz­czyzny równoległej do płaszczyzny podstawowej poślizgu. W przypadku podwójnego poślizgu poprzecznego niewielkiego odcinka pętli dyslokacyj­nej, w płaszczyźnie poślizgu poprzecznego tworzy się dipol dyslokacyjny, złożony z dwóch różnoimiennych równoległych dyslokacji krawędziowych, który stanowi silną przeszkodę dla ruchu innych dyslokacji.

Dyslokacje pryzmatyczne. Jeżeli wektor Burgersa, w odróżnieniu od przypadku przedstawionego na, nie leży w płaszczyźnie pętli dyslokacyjnej, powierzchnia poślizgu wyznaczona przez linię dyslokacji i jej wektor Burgersa jest powierzchnią cylindryczną, a dyslokacja jest nazywana dyslo­kacja pryzmatyczną. Dyslokacja taka porusza się wyłącznie ruchem zachowawczym. Rozszerzanie się lub kurczenie takiej pętli dyslokacyjnej związane jest odpowiednio ze wspinaniem lub zstępowaniem dyslokacji. W wyniku gwałto­wnego ochłodzenia materiału uprzednio nagrzanego do wyso­kiej temperatury nadmiarowe wakanse występujące w dużej ilo­ści tworzą skupiska w postaci tarcz wakansów w płaszczyznach gęstego ułożenia atomów. Po osiągnięciu wystarczająco dużych wymiarów sieć krystaliczna ulega kontrakcji, wobec czego zapada się tarcza wakansów tworząc wokół siebie pętlę dyslokacyjną o orientacji krawędziowej. Wektor Burgersa takiej pętli jest bowiem prostopadły do jej płaszczyzny. W przypadku, gdy występuje nadmiar wakansów w stosunku do stanu równowagi właściwego dla danej temperatury, pętle dyslokacji pryzmatycznych rozszerzają się w wyniku wspinania. W przy­padku, gdy w pobliżu dyslokacji pryzmatycznych występują ujścia wakansów, pętle emitując wa­kanse kurczą się w wyniku zstępowania.

Dyslokacje helikoidalne. W kryształach poddanych obróbce cieplnej w warunkach sprzyjających wspi­naniu dyslokacji tworzą się dyslokacje w kształcie długich spirali, zwane helikoidalnymi. Zakotwiczona dyslokacja AB o mieszanej orientacji śrubowo—krawędziowej ulega poślizgowi w płaszczyźnie ABA', ponieważ linia dyslokacji i jej wektor Burgersa leżą w tej płaszczyźnie. Ruch tej dyslokacji w kierunku prostopadłym do tej płaszczyzny następuje przez wspinanie, możliwe dzięki nadmiarowi wakansów w danej temperaturze. W kolejnym etapie dyslokacja leży na powierzchni walca o osi równoległej do wektora Burgersa i może ulegać poślizgowi po tej powierzchni. Dalsze wspinanie dyslokacji powoduje przemieszczanie się jej odcinków w kierunkach prostopadłych do powierzchni walca, w wyniku czego dyslokacja przyjmuje kształt podwójnej spirali. Gdy odcinek AA' jest duży w stosunku do odcinka A 'B, superpozycja pryzmatycznego poślizgu i wspinania decyduje o małym skoku spirali. Dyslokacja helikoidalna składa się głównie ze składowej śrubowej o składowej wektora Burgersa równoległej do osi spirali oraz z układu pętli pryzmatycznych.

Zachowawcze wspinanie dyslokacji. Pryzmatyczna pętla dyslokacyjna, która może ulegać poślizgowi wyłącznie po powierzchni walcowej zawierającej linię dyslokacji i jej wektor Burgersa i może ulegać wspinaniu kurcząc się lub rozszerzając pod działaniem pola naprężeń innej dyslo­kacji krawędziowej o odpowiedniej długości, może także poruszać się w płaszczyźnie pętli zacho­wując swoją pierwotną wielkość. Ruch ten polega na wspinaniu dyslokacji, w wyniku czego dyslo­kacja wychodzi poza powierzchnię walcową poślizgu. Mechanizm ten, zwany wspinaniem zacho­wawczym, nie jest związany z dyfuzją objętościową, gdyż stężenie wakansów nie ulega zmianie, dzięki czemu nie następuje zmiana wielkości pętli dyslokacyjnej. Następuje natomiast wymiana wakansów wokół pętli dyslokacyjnej w wyniku tzw. dyfuzji koralikowej. Te same wakanse, które uczestniczą we wspinaniu pętli dyslokacyjnej po jej jednej stronie, biorą także udział w jej zstępowaniu po jej przeciwległej stronie, w wyniku czego następuje ruch pętli dyslokacyjnej w jej własnej płaszczyźnie.

4. Rozmnażanie dyslokacji.

Gęstość dyslokacji. Dyslokacje powstają zarówno podczas krystalizacji metali, jak i w stanie stałym, np. w wyniku odkształcenia plastycznego na zimno. Całkowita długość linii dyslokacji przypadająca na jednostkę objętości kryształu nazywa się gęstością dyslokacji. W kryształach metali gęstość dyslokacji wynosi od 10¹⁰ m^-2 (w metalach zbliżonych do stanu równowagi) do 10¹⁶ m^-2 (w metalach o zaburzonej równowadze, np. w wyniku odkształcenia plastycznego na zimno).

5. Oddziaływanie między dyslokacjami.

Odpychanie i anihilacja dyslokacji. Dyslokacje przemieszczające się w płaszczyźnie poślizgu, stykając się, wzaje­mnie na siebie oddziałują. Dwie jednoimienne dyslokacje krawędziowe prze­mieszczające się w tej samej płaszczyźnie poślizgu odpychają się wzajemnie Podo­bnie oddziałują na siebie jednoimienne dyslokacje śrubowe. Dwie dyslokacje o przeciwnie skierowanych wektorach Burgersa — zarówno krawędziowe, jak i śrubowe - przyciągają się. W wyniku tego następuje zlikwidowanie obydwu dyslo­kacji reagujących ze sobą, a zjawisko nazywa się anihilacją dyslokacji różnoimiennych. Jak podano schematycznie dys­lokacje krawędziowe jednoimienne mogą się odpychać lub przyciągać, także gdy kat między płaszczyzną poślizgu jednej z dysloka­cji a prostą łączącą ją z linią drugiej dyslo­kacji jest odpowiednio mniejszy lub większy od 45°.

Uskoki dyslokacyjne. Dyslokacje przemieszczające się w nierównoległych płaszczyznach poślizgu przecinają się wzajemnie, tworząc w każdej z płaszczyzn uskok. Wyróżnia się dwa rodzaje uskoków dyslokacyjnych:

• przegięcia,

• progi.

Uskok na linii dyslokacji, leżący w płasz­czyźnie poślizgu dyslokacji, nazywa się prze­gięciem, natomiast powodujący przesunięcia dyslokacji z jednej płaszczyzny poślizgu na inną — progiem.

Ruch dyslokacji obarczonych uskokami. Dyslokacje obarczone uskokami są mniej ruchliwe, gdyż wleczenie uskoków wytwarza rzędy wakansów i atomów międzywęzłowych, co wymaga przyłożenia bardzo dużych naprężeń zewnętrznych. Prędkość wspinania się dyslokacji można przeanalizować na przykładzie dyslokacji krawędziowej LM obarczonej uskokami, leżącej pod pewnym katem do płaszczyzny poślizgu i o wektorze Burgersa prostopadłym do płaszczyzny rysunku. Dodatnie wspinanie dyslokacji przesuwa jej linię wraz z uskokami do poło­żenia L'M'. Prędkość przesuwania się pojedynczego uskoku, determinująca prędkość wspinania dyslokacji, zależy od:

• siły wywołanej przyłożonym naprężeniem decydującym o przesuwaniu się uskoku w prawo, związanym z wytwarzaniem wakansów,

• siły chemicznej, spowodowanej zachwianiem równowagowego stężenia wakansów wokół dyslokacji właściwego dla danej temperatury; nadmiar wakansów wpływa na łączenie się ich z dyslokacja na uskokach i przesuwaniem się ich w lewo.

Węzły i siatka dyslokacji. W wyniku ruchu dysloka­cji i ich wzajemnych spot­kań w płaszczyznach poślizgu tworzą się w kryształach węzły dyslokacyjne oraz siatkowa struktura dyslokacyjna. Ponieważ płaszczyzny poślizgu nie muszą być wzajemnie równoległe, w kryształach metali występuje przestrzenna siatka dyslokacyjna.

6. Błędy ułożenia.

Istota błędu ułożenia. W metalach o sieci Al płaszczyzny gęstego ułożenia atomów {111} są usytuowane w kolejności ABCABC... Kolejne płaszczyzny A, B i C spoczywają na sobie, przesunięte wzglę­dem siebie. Kolejność ułożenia tych płasz­czyzn może lokalnie ulec zaburzeniu, w wyniku którego nastąpi sekwencja ABAB.. lub ACAC, charakterystyczna dla metali o sieci A3. Taka wada budowy krystalicznej jest nazywana błędem ułożenia. Błędy uło­żenia w krysztale o sieci A l ograniczone są przez dyslokacje krawędziowe o ograniczo­nej zdolności do przemieszczania się w kry­sztale i nazywanych dyslokacjami pól-utwierdzonymi lub dyslokacjami Franka.

Błędy ułożenia tworzą się wskutek:

• kondensacji wakansów,

• zaburzonego wzrostu kryształu,

• odkształcenia plastycznego.

Błędy ułożenia zewnętrzne i wewnętrzne. W zależności od tego, czy do idealnego kryształu zo­stanie wprowadzona lub z niego usunięta jedna z płaszczyzn , błędy ułożenia mogą być:

• zewnętrzne,

• wewnętrzne.

Podobne błędy ułożenia powstają w kryszta­łach o sieci heksagonalnej tworząc lokalnie cien­kie płytki o sieci regularnej Al. W kryształach o sieci A2 błędy ułożenia mogą występować w płaszczyznach {112} o sekwencji ABCDEFABC.... Biedy ułożenia rzadziej występują w płaszczy­znach {310}, a przypuszczalnie mogą także pojawiać się w płaszczyznach {110}.

Energia błędu ułożenia. Energia kryształu zawierającego błąd ułożenia jest podwyższona o energią błędu ułożenia (EBU), zależna od rodzaju i struktury sieciowej metalu.

4

---