Umocnienie metali i stopów

1. Umocnienie metali i stopów

2. Umacnianie metali - wprowadzenie Teoretyczna wytrzymałość monokryształów czystych metali (G/30) jesto kilka rzędów wielkości większa niżwyznaczona doświadczalnie dla rzeczywistych monokryształów (od10-4do 10-8G) – powód – obecność dyslokacji. Przykład:G/30 dla aluminium wynosi 0,9 GPa, w rzeczywistościjest 0,78 MPa. Jak można zwiększyć tą małą wytrzymałość? Recepta jest prosta – wyeliminowaćdyslokacje (cienkie whiskersy) lubograniczyćim możliwość ruchu. Umacnianie metali = ograniczenie ruchu dyslokacjom Whiskersy, monokryształy w postaciwłókieno bardzo małych średnicach, posiadająceidealnąbudowę krystaliczną (czasamirzeczywiście bez dyslokacji), dysponują wytrzymałością zbliżoną do tej teoretycznej. Metale odkształcają się plastycznie przed ostatecznym zniszczeniem. Ta plastyczna deformacja metali występuje wskutek ruchu dyslokacji. Stosunkowa łatwość ruchu dyslokacji w metalach,będąca konsekwencją dość niskiej wytrzymałości wynikaze specyfiki wiązania metalicznego.

3. Wpływ typu wiązania międzyatomowego na wytrzymałość materiału Granica plastyczności – opór przeciw poślizgowi (ruchowi) dyslokacji, który wzrastawraz ze wzrostem kierunkowościisztywnościwiązania między atomami.

4. Metody umacniania metali • Umocnienie roztworowe (przez tworzenie roztworu stałego), • Wewnętrzne pola naprężeń wokół rozpuszczonych atomów oddziałują wzajemnie z polami naprężeń wokół dyslokacji • Umocnienie granicami ziarn (przez rozdrobnienie ziarna), • Granice ziarn jako blokady na drodze poruszających się dyslokacji • Utwardzanie dyspersyjne, • Wewnętrzne pola naprężeń od cząstek dyspersyjnych oddziałują z polami naprężeń wokół dyslokacji • Utwardzanie wydzieleniowe, • Wydzieleniaw osnowie matrycy z „mocnymi" strukturami krystalicznymidziałają jako blokady na drodze poruszających się dyslokacji • Umocnienie odkształceniowe (dyslokacyjne), • Unieruchomione dyslokacje blokują ruch poruszającym się dyslokacjom • Umocnienie przez przemianę martenzytyczną (hartowanie), • Wykorzystanie przemian fazowych do otrzymywania drobnych silnie odkształconych składników mikrostruktury

5. Przykłady umocnienia roztworowego metali

6. Przykłady umocnienia roztworowego metali

7. Umocnienie roztworowe Możliwe oddziaływania pomiędzy dyslokacjami i obcymi rozpuszczonymi atomami: • Sprężyste - Pole naprężeń wokół dyslokacjioddziałuje z polem naprężeń wokółobcego atomu • Chemiczne - Zmiana energii błędu ułożenia w obecności obcych atomów • Elektryczne - oddziaływanie elektrostatyczne pomiędzy różnymi ładunkami dyslokacji i obcego atomu (powstanie dipolu elektrycznego) • Geometryczne - oddziaływanie poruszających się dyslokacji z lokalnymi zgrupowaniami obcych atomów tworzących porządek bliskiego zasięgu We wszystkich przypadkach wymienione interakcje pomiędzy dyslokacjami i obcymi rozpuszczonymi atomami umacniają metale na dwa sposoby: - poprzez przyciąganie => mechanizm kotwiczenia dyslokacjiprzez grupujące się w ich bliskim sąsiedztwie atomy - poprzez odpychanie => dyslokacje muszą „przeciskać się” pomiędzy atomami

8. Oddziaływanie sprężyste dyslokacji z obcym atomem Możliwe zniekształcenia w sieci krystalicznej rozpuszczalnika wywołane przez obcy atom: • Zniekształcenie symetryczne – atomy różnowęzłowewmetalach o sieci A1 i A2orazatomy międzywęzłowe w metalach o sieci A1, • Zniekształcenie tetragonalne – atomy międzywęzłowe w metalach o sieci A2, np.węgielw żelazie .

9. Metal macierzysty Typ obcego atomu Koncentracja obcych atomów cat Stopień umocnienia do/dcat Al (A1) Atomy substytucyjne 10-2 G/10 Cu (A1) Atomy substytucyjne G/20 Fe (A2) Atomy substytucyjne G/16 Nb (A2) Atomy substytucyjne G/10 Ni (A1) Atomy międzywęzłowe G/10 Cu (A1) napromieniowana Atomy międzywęzłowe Cu 10-4 9G Fe (A2) Atomy międzywęzłowe C 5G Nb (A2) Atomy międzywęzłowe N 5G Wpływ obcych atomów na umocnienie roztworów stałych

10. Oddziaływanie błędu ułożenia z obcymi atomami – „efekt Suzukiego” Umocnienie występuje wtedy gdy obce atomy wykazują inną rozpuszczalność wokół błędu ułożenia niż w obrębie matrycy Gdy obce atomy wykazują większą rozpuszczalność wokół BU: A: (Stan nierównowagowy) Dyslokacje i BU. Obce atomy o takiej samej koncentracji cow matrycy i wokół BU. B: (Stan równowagowy) Obce atomy o koncentracji cow matrycy, i c1 ( > co) wokół BU (obce atomy dyfundują do BU). W tym przypadku energia BU (na jednostkę powierzchni) jest mniejsza, co powoduje poszerzenie „wstęgi” BU, a to z kolei powoduje: Zmniejszenie napięcia liniowego dyslokacji  Zmniejszenie całkowitej energii dyslokacji  Wokół BU powstaje gradient koncentracji obcych atomów, co jest źródłem siły chemicznej blokującej ruch dyslokacji

11. Oddziaływanie elektryczne pomiędzy dyslokacją i obcym atomem • Podobny charakter oddziaływania do sprężystego oddziaływania obcego atomu wywołującego odkształcenie symetryczne sieci rozpuszczalnika, alekilka razy mniejsze (ok. sześciokrotnie) • Gęstość elektronów przewodnictwa jest większa w obszarze rozciąganym –poniżej dodatkowej półpłaszczyzny i mniejsza w obszarze ściskanym – powyżej dodatkowej półpłaszczyzny. • Efekt – tworzy się dipol elektrycznywzdłuż dyslokacji, który oddziałuje z ładunkiem obcego atomu o odmiennej wartościowości niż atom osnowy.

12. Efekty oddziaływania dyslokacji z obcymi atomami Blokowanie dyslokacji – obce atomy gromadzą się wokół dyslokacji • Blokowanie sprężyste – Atmosfery Cottrella, efekt wyraźnej Rpl i związane z nią zjawisko starzenia odkształceniowego, • Blokowanie chemiczne – „Suzuki effect”, • Blokowanie elektrostatyczne – dipol elektryczny. Utrudnianie ruchu dyslokacji – obce atomy stanowią bariery dla ruchu dyslokacji: • Obce atomy jako silne rozproszone przeszkody, • Obce atomy jako słabe rozproszone przeszkody.

13. Mała liczba przypadków, ale o wielkim znaczeniu: Miedzywęzłowe atomy C, N wżelazie i innych metalach o sieci A2 Luka oktaedryczna w środku ściany komórki sieci A2 Odległość A-Ajest mniejsza niż B-B, i określarozmiar atomumiedzywęzłowego. Rzeczywiste stosunki promieni atomowych: Efekt:każdy atom międzywęzłowy wytwarza wokół siebie niesymetryczne pole naprężeń (zniekształcenie tetragonalne sieci) Pola naprężeń o charakterze hydrostatycznym i tnącymoddziałują zarówno z dyslokacjami krawędziowymi jak i śrubowymi. Niedopasowanie, δ= ~ 10 % do 100% Mechanizm blokowania dyslokacji – blokowanie sprężyste A

14. Atmosfery Cottrella – „kotwiczenie” dyslokacji Trzy cechy atomów międzywęzłowych w metalach o sieci A2 czynią je bardzo silnie umacniającymi ośrodkami: •Wytwarzają bardzo duże pola naprężeń sprężystych wokół siebie -dzięki umiejscawianiu się w pobliżu dyslokacji obniżają ich energię •wytwarzają pola naprężeń o charakterze hydrostatycznym i tnącym - kotwiczą w ten sposób dyslokacje krawędziowe i śrubowe •Mogą szybko dyfundować, nawet w temperaturze pokojowej - dlatego mogą „znajdować” dyslokacje w ciągu kilku godzin lub dni.

15. Wyraźna granica plastyczności i zjawisko starzenia odkształceniowego

16. Mechanizm utrudniania ruchu dyslokacji – siły działające na poruszającą się dyslokację Klasyfikacja przeszkódograniczających ruch dyslokacji: • Silne i słabe przeszkody – zależy to od kąta do jakiego może wygiąć się dyslokacjazanim przedrze się przez nie, • Rozproszone i skupione – zależy tood tego czy siła ich oddziaływania ogranicza się do małego odcinka linii dyslokacji (siła skupiona), czy też rozkłada się równomiernie na większej jej długości (siła rozłożona) Rozłożone siły od obcych atomów: Siły rozłożone od obcych atomów mogą wyginać dyslokacje w łuk o promieniu R: R=Gb/i  Gb/2i, gdzie: i- wewnętrzne naprężenie ścinające wytworzone przez każdy obcy atom w osnowie Silne oddziaływanie(od silnych przeszkód) sprawia że R  ,a słabeże R   - średnia odległość między obcymi atomami

17. Obce atomy jako silne rozproszone przeszkody –oddziaływanie dalekiego zasięgu Silne rozproszone przeszkody – obce atomy wywołujące tetragonalne zniekształcenie sieci rozpuszczalnika. Jeśli R< λ, linia dyslokacjimoże się dość mocno wyginać, znajdując kształt o minimalnej energii, przy przedzieraniu się przez szyk centrów naprężeń wokół obcych atomów. Linia dyslokacyjna ma tendencję do omijaniaprzeszkódpo jednej na raz. „Silne oddziaływania" kontrolują kształt linii dyslokacyjnej.

18. Obce atomy jako słabe rozproszone przeszkody – oddziaływanie bliskiego zasięgu Słabe rozproszone przeszkody – obce atomy wywołujące symetryczne zniekształcenie sieci rozpuszczalnika. Jeśli R > λ, linia dyslokacyjna nie może wyginać się dość mocno tak, aby przemknąć pomiędzy obcymi atomami. Dyslokacje poruszają się segmentami o długości (L) znacznie większej niżśrednia odległość miedzy obcymi atomami λ. Napięcie liniowe dyslokacji (T= Gb2) ma silny wpływ na kształt linii dyslokacyjnej.

19. Umocnienie roztworowe – mechanizm utrudniania ruchu dyslokacji Wzrost naprężenia uplastyczniającegowywołanego przez obce atomy: gdzie: L – efektywna odległość pomiędzy obcymi atomami w osnowie rozpuszczalnika fmax – maksymalna siła oporu działająca na poruszającą się dyslokację, b – wektor Burgersa Przybliżoneobliczeniasiły oporu fmax (wykonane przez Fleischera) dla: Tetragonalnego zniekształceniamieszczą się w zakresie:Gb2/5 to Gb2/10; Symetrycznego zniekształcenia mieszczą się w przedziale:Gb2/100 to Gb2/120. Według teorii Friedela-Fleischera: o Gc1/2 ; Według teorii Nabarry: o  Gc2/3; gdzie:  - współczynnik proporcjonalności: dla zniekształcenia tetragonalnego: jest mniejszy od jedności, ale rzędu wielkości z zakresu od 0,1 do 1,0; dla zniekształcenia symetrycznego: jest dużo mniejszy od jedności, oszacowany (przez Fleischera) jako: s3/2/700 (0,4s<3 dla monokryształów stopów miedzi); G – moduł sprężystości poprzecznej, c – atomowa koncentracja obcych atomów

20. Wytrzymałość umocnionych roztworów Efekt umocnienia, a zrazem wytrzymałość roztworu, jest proporcjonalny do: 1. Ilości obcych atomów (c- ich koncentracjiw roztworze) 2. Stopnia niedopasowania, δ (rs-rm/rm) 3. Modułu sprężystości poprzecznej rozpuszczalnika (G)

21. Wytrzymałość umocnionych roztworów