dr inż. Hanna Smoleńska

MATERIAŁOZNAWSTWO

Wydział Mechaniczny,

Mechatronika, sem. I

Defekty struktury

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.

Defekty punktowe

• Wakanse: wolne węzły

• Atomy międzywęzłowe

• W stopach: atomy domieszek (obce)

Defekty punktowe w kryształach jonowych

•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 drgadrgadrgadrgańńńń siecisiecisiecisieci,,,, o amplitudzie wzrastającej z temperaturą, które powodują wypadanie pewnej liczby atomów (jonów) ze swoich położeńrównowagi.

•Tworzy się zawsze para defektów atom (jon)międzywęzłowy (wytrącony) – wakans.

Ruch atomów

Wakans anionowy

Wakans kationowy

Kation międzywęzłowy

Defekt Frenkla

Defekt Schottky’ego

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.

Różnowęzłowe

anionowe

międzywęzłowe

anionowe

różnowęzłowe

kationowe

Zanieczyszczenia

Wady struktury krystalicznej – defekty punktowe

Wady struktury krystalicznej - punktowe

wakans i kontrakcja

sieci

T20=10-18

Tt=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.

Wady struktury krystalicznej – defekty punktowe

Wady struktury krystalicznej – defekty punktowe

Dyslokacje

• Główne rodzaje: krawędziowe, śrubowe, mieszane

• Dyslokacje całkowite (doskonałe) i częściowe

• Kontur Burgersa i wektor Burgersa: wektor zamykający kontur Burgersa

Dyslokacja krawęęęędziowa – 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.

•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 106 dyslokacji w 1 cm3 w metalach wyżarzonych, do 1015

dyslokacji w 1 cm3 w silnie zdeformowanych.

Wady struktury krystalicznej – liniowe

dyslokacja krawędziowa

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.

b

A B

CD

Kierunek poślizgu

wektor Burgersa

Ruch dyslokacji krawędziowej

• Poślizg

• Wspinanie (zstępowanie)

Wspinanie dodatnie w wyniku dyfuzji wakansów do dyslokacji

Wspinanie dodatnie w wyniku dyfuzji atomów do dyslokacji

Dyslokacja śrubowa

• Wektor Burgersa równoległy do linii dyslokacji

• Prawo- i lewoskrętne

Wady struktury krystalicznej – liniowe cd.

Jeżeli część kryształu przesuniemy

względem pozostałej części wzdłużpłaszczyzny 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.

C

b

Q

A

B

D

τ

τ

Przemieszczanie dyslokacji śrubowej

Dyslokacje mieszane

A

B

A

B

kierunek

poślizgu

śrubowa

śrubowa

krawędziowakrawędziowa

mieszana

mieszana mieszana

mieszana

Dyslokacja krawędziowa

[110]

Dyslokacja krawędziowa

[111]

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 łączyć środek atomu w

narożu komórki ze środkiem atomu centrującego ścianę. W jednym z

takich przypadków wektor Burgersa można zapisać jako

b = a/2 1 1 0

b = a/2 1 1 0

Sposób zapisywania wektora Burgersa dyslokacji cd.

x

y1/2

1/2

Długość wektora Burgersa określana

jest przez wyrażenie:

b = ca (u2+v2+w2)½

202

22

22

ab

aa=++=

[111]

[111]

Sposób zapisywania wektora Burgersa dyslokacji cd.

⟩⟨=→

111ab

[221

]

⟩⟨=→

2212

ab

[001]

⟩⟨=→

001ab

Energia dyslokacji jest proporcjonalna do wektora Burgersa w kwadracie

Dyslokacje o mniejszej wartości w. Burgersa są bardziej ruchliwe

Naprężenie tarcia sieci

Naprężenie tarcia sieci Peierlsa-Nabarro:

τo = 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

• 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

Oddziaływanie między dyslokacjami

Uskoki dyslokacyjne

Dyslokacje przemieszczające się w nierównoległych płaszczyznach poślizgu

przecinają się wzajemnie tworząc w każdej z płaszczyzn uskok. Wyróżnia siędwa 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, gdyżwleczenie uskoków wytwarza rzędy wakansów i atomów

międzywęzłowych

Rozmnażanie dyslokacji

• Gęstość dyslokacji: długość linii dyslokacyjnych na jednostkę objętości kryształu 1010 (warunki równowagi) do 1016 m-2 (w zaburzonej równowadze np. po obróbce plastycznej)

• Mechanizmy: źródła Franka-Reada, poślizg poprzeczny

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.

Inny mechanizm powstawania dyslokacji

Koniec A jest zakotwiczony a drugi koniec wychodzi na powierzchnięswobodną kryształu. Po przyłożeniu naprężenia stycznego

niezakotwiczony koniec porusza się wielokrotnie wokół zakotwiczonego

końca co powoduje duże poślizgi w płaszczyźnie dyslokacji AB

Defekty powierzchniowe

• Błędy ułożenia,

•Powierzchnie wewnętrzne kryształów (np.

granice ziaren, granice bliźniaków i granice

międzyfazowe),

• Powierzchnie zewnętrzne kryształów.

Błędy ułożenia

• Powstają wskutek: kondensacji wakansów, zaburzonego wzrostu kryształu, odkształcenia plastycznego

• Mogą być: zewnętrzne i wewnętrzne

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.

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

Dyslokacje całkowite i częściowe

b

A B

CD

Kierunek poślizgu

wektor Burgersa

Schemat rozszczepienia dyslokacji

Warunek dysocjacji:

b12 > b2

2 + b32

Warunek rekombinacji:

b12 + b2

2 > b32

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

•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 prawidłowąstrukturę krystaliczną.

•Przypadkowa orientacja krystaliczna poszczególnych ziaren

powoduje, że polikryształy są ciałami quasi-izotropowymi.

•Wielkość ziaren w metalach technicznych 1-100 µm.

•W obrębie ziarna można wyróżnić poddziarna, ułożone względem

siebie pod małymi kątami, od kilku minut do kilku stopni.

Struktura polikrystaliczne metali

Łączy kryształy o

wspólnym kierunku

krystalograficznym ║ do

granicy

Łączy kryształy o

wspólnym kierunku

sieciowym ┴ do granicy

Defekty złożone - granice ziaren oddzielają ziarna różniące się orientacjąkrystaliczną a także składem:a) granice wąskokątowe

b) granice szerokokątowe

Wąskokątowa granica daszkowa o kącie

dezorientacji Θ

Wąskokątowe granice ziaren - obszary dwóch sieci krystalicznych stykających sięze sobą pod kątem nie większym niżkilkanaście minut do 2°.

Są to najczęściej zespoły dyslokacji krawędziowych jednakowego znaku, położonych jedna nad drugą.

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

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

Wpłłłływ defektów na włłłłasnośśśści metali

Występowanie dyslokacji w sposób istotny wpływa na własności wytrzymałłłłośśśściowe i plastyczne metali.

Obliczenia teoretyczne wykazują, że metale o idealnej budowie krystalicznej powinny posiadać wytrzymałłłłośćśćśćść determinowanąąąą siłąłąłąłąwiąąąązania atomowego, a więc dwa do trzech rzędów wielkości wyższą od obserwowanej dla metali technicznych.

Różnice przypisuje się występowaniu zjawiska plastycznośśśści.

O ile przykładowo w ceramikach siła wywołująca zniszczenie materiału niezbędna jest do zerwania wszystkich wiąąąązańńńń naraz w pewnej określonej płaszczyźnie, o tyle w przypadku metali przyłożenie znacznie mniejszej siły wystarcza w zupełności do wywołania pośśśślizgu 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.

Własności metali a ich budowa atomowa

Gęstość dyslokacji i innych wad

Wła

snośc

i w

ytr

zym

ałośc

iow

e

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

Odkształcenie metali

0A

FR

e

e=

Odkształcenie u

Sił

a F

l0A0

F=0F=0

u

Fs

Fe

Fm

0A

FR

m

m=

%1000

015 ×

−=

l

llA

%1000

10 ×−

=A

AAz