Defekty struktur krystalicznych.pdf

(205 KB) Pobierz
19
JW
2. 4. Defekty struktur krystalicznych
Jak już powiedziano wyżej, siły międzyatomowe warunkujące spójność metalu są siłami
przyciągania i odpychania. Trwałe rozłączenie atomów, czyli wywołanie złomu metalu jest
uwarunkowane działaniem siły rozciągającej większej od maksymalnej wypadkowej sił
między atomowych.
Wartość tej siły i krytyczną odległość odpowiadającą granicznemu odkształceniu
sprężystemu można wyliczyć zarówno dla dwóch wyodrębnionych atomów, jak i całego
kryształu, przy założeniu doskonałej jego budowy sieciowej. W tym drugim przypadku
teoretyczne naprężenie rozciągające potrzebne do pokonania sił spójności wynosi ok. 100 000
MPa, a graniczne odkształcenie sprężyste — ok. 10%.
Jak jednak stwierdzono doświadczalnie, rzeczywiste wartości zarówno naprężeń
rozrywających, jak i odkształceń sprężystych, są 100-1000 razy mniejsze od teoretycznych.
Ta rozbieżność między obliczeniami teoretycznymi a wynikami pomiarów wielu własności
metali nasunęła wniosek, potwierdzony następnie doświadczalnie,
że
struktura rzeczywistych
kryształów nie jest doskonała i zawiera pewne wady, wywołujące określone
nieprawidłowości budowy i wpływające na ich własności. Stwierdzono również,
że
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 ziarn.
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 ziarn rozłożenie ich granic.
Nieprawidłowości struktury sieciowej spotykane w rzeczywistych strukturach
krystalicznych można podzielić na trzy grupy:
•
defekty punktowe,
•
defekty liniowe,
•
defekty złożone.
Defektami punktowymi
nazywa się zakłócenia budowy krystalicznej umiejscowione
wokół punktu. Najprostszym defektem tego typu jest brak atomu w węźle sieci przestrzennej,
zwany
wakansem
albo luką.
Wakanse powstają przede wszystkim wskutek drgań cieplnych sieci, które są tym większe,
im wyższa jest temperatura. 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. Oba
wywołują lokalne zakłócenie budowy sieciowej, gdyż obecność wakansu powoduje większe
od normalnego zbliżenie sąsiednich atomów (rys. 2.15b), natomiast atom wtrącony powoduje
rozsunięcie sąsiednich atomów na odległość większą od normalnej. Opisany defekt nosi
nazwę
defektu Frenkla
i
może powstawać tylko w strukturach metali alkalicznych, w których
odległości między atomami są wystarczająco duże, by atom mógł zająć pozycję
międzywęzłową (rys. 2.15b). Natomiast 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 defektu nazywa się
defektem
Schottky'ego
i
jest powszechny w kryształach metali – rys. 2.15a. Wakanse powstające w
sieci mogą wędrować wewnątrz kryształu przez zamianę miejsc z węzłami obsadzonymi
atomami. Mogą wywędrować na powierzchni kryształu, co prowadzi do zmniejszenia się
ogólnej liczby wakansów. Mogą wreszcie się
łączyć,
tworząc tzw. zgrupowania wakansów.
Liczba wakansów w metalu w stanie równowagi termodynamicznej, w temperaturze
otoczenia jest stosunkowo niewielka, wzrasta jednak bardzo szybko przy podwyższeniu
temperatury. Ponieważ defekty tego typu odgrywają istotną rolę w procesach dyfuzyjnych, w
wielu przypadkach dąży się do uzyskania zwiększone liczby wakansów również w
20
JW
temperaturze otoczenia, poprzez szybkie przechłodzenie metalu z wysokich temperatur,
obróbkę plastyczną na zimno (tj. w temperaturach niższych od temperatury rekrystalizacji
danego metalu) lub bombardowaniu ciężkimi cząsteczkami alfa.
Rys.2.15. Punktowe defekty sieci krystalicznej wywołane drganiami cieplnymi: a) defekt
Schottky’ego, b) defekt Frenkla
Punktowe defekty sieci tworzą również znajdujące się w niej obce atomy. Możliwe są tu
następujące przypadki. Jeśli obcy atom ma
średnicę
atomową dużo mniejszą od
średnicy
atomowej atomów metalu, to zajmuje on położenie między węzłowe, wywołując lokalne
rozsunięcie sąsiednich atomów i powiększenie parametrów sieci (rys.2.16b). W typowych
sieciach krystalicznych metali przestrzenie międzywęzłowe są niewielkie, toteż położenie
międzywęzłowe mogą zajmować w nich tylko atomy azotu, wodoru, węgla i boru, mające
najmniejsze
średnice
atomowe. Wtrącone atomy innych pierwiastków mogą zajmować
wyłącznie pozycje węzłowe zastępując atomy metalu podstawowego. W tym przypadku
rodzaj zniekształcenia sieci krystalicznej zależy od tego czy obcy atom ma mniejszą, czy
większą
średnicę
od atomu metalu podstawowego (rys. 2.16b i c). Jeśli większą — występuje
lokalne rozsunięcie sąsiednich atomów (powiększenie parametrów sieci), jeśli mniejszą —
lokalne zbliżenie atomów (zmniejszenie parametrów sieci)
Rys.2.16. Defekty punktowe: a) wakans, b) atom międzywęzłowy, c) atom obcy
węzłowy, d) atom obcy międzywęzłowy
Odkształcenie sieci wywołane wakansem polega na kontrakcji, a atomem
międzywęzłowym — na ekspansji. Atom obcy węzłowy powoduje kontrakcję, jeżeli jego
promień jest mniejszy, albo ekspansję, jeżeli jego promień jest większy od promienia atomu
bazowego, natomiast atom obcy międzywęzłowy zawsze powoduje ekspansję sieci.
Wzajemne oddziaływanie defektów punktowych, przy większym ich stężeniu
Defektami liniowymi
nazywa się zakłócenia budowy krystalicznej, które w jednym
kierunku mają wymiar kilku odległości atomowych, a w drugim — całego ziarna lub znacznej
jego części. Rozróżnia się dwa zasadnicze rodzaje defektów liniowych: dyslokację
krawędziową i dyslokację
śrubową.
Pierwszą odkryli w 1934 i Taylor, Orowan i Polanyi,
drugą w l939 r.— Burgers.
Dyslokację krawędziową
wywołuje obecność w przestrzennej sieci krystaliczne
dodatkowej półpłaszczyzny obsadzonej atomami (zw. ekstrapłaszczyzną), które krawędź
stanowi dowolna linia brzegowa, nazywana linią dyslokacji. W zależność od usytuowania
21
JW
dodatkowej półpłaszczyzny rozróżnia się dyslokację dodatnią, oznaczoną symbolem -
⊥
i
ujemną, oznaczoną symbolem
T
(pionowa kreska w symbolu dyslokacji oznacza dodatkową
półpłaszczyznę, pozioma — płaszczyznę poślizgu). Na rysunku 2.17 pokazano dyslokację
krawędziową dodatnią
Rys.
2.17. Schemat dyslokacji krawędziowej w krysztale o sieci regularnej: a) przekrój
poprzeczny kryształu zawierającego dyslokację dodatnią, b) perspektywiczny obraz
rozmieszczenia atomów wokół dyslokacji dodatniej;
AB —
płaszczyzna poślizgu
Wokół linii dyslokacji istnieje pole naprężeń sprężystych;
ściskających
w części kryształu
zawierającej dodatkową półpłaszczyznę (odległości między sąsiednimi atomami są mniejsze
od stałych sieciowych), rozciągających — w pozostałej części kryształu (odległości między
sąsiednimi atomami są większe od stałych sieciowych). Wynika z tego,
że
wokół dyslokacji
krawędziowej występuje jednocześnie postaciowe i objętościowe odkształcenie kryształu.
Dyslokacje krawędziowe charakteryzują się określonymi własnościami dynamicznymi, m.in.
mają możliwość poruszania się w płaszczyźnie poślizgu pod wpływem naprężeń
wewnętrznych lub zewnętrznych, w wyniku czego następuje poślizg części kryształu wzdłuż
określonej płaszczyzny sieciowej. Obliczono,
że
naprężenie potrzebne do wywołania
przesuwania się dyslokacji jest bardzo małe, rzędu l MPa pod warunkiem,
że
siły wiązań w
krysztale nie zależą od kierunków.
Dyslokacje krawędziowe mogą się przemieszczać w krysztale również przez wspinanie,
polegające na odłączeniu się atomów od krawędzi dodatkowej półpłaszczyzny i ich migracji
do wakansów (rys. 2.18). Oczywiście możliwe jest także zjawisko odwrotne, polegające na
opuszczaniu pozycji węzłowych przez atomy i ich dołączaniu do krawędzi półpłaszczyzny.
Przemieszczanie się dyslokacji krawędziowych przez wspinanie zależy od ilości wakansów w
krysztale i zachodzi bardziej intensywnie w temperaturach podwyższonych, np. podczas
pełzania metali. Innym przejawem własności dynamicznych jest przyciąganie się dyslokacji
różnoimiennych i odpychanie się dyslokacji jednoimiennych. W pierwszym przypadku
możliwa jest anihilacja (zanik) dyslokacji, jeśli leżą one w tej samej płaszczyźnie poślizgu lub
w płaszczyznach równoległych.
Określone oddziaływanie występuje także między dyslokacjami krawędziowymi atomami
obcych pierwiastków znajdujących się w metalu. Atomy o większych
średnicach
zajmujące
położenia węzłowe oraz atomy o małych
średnicach
zajmujące położenia międzywęzłowe
(węgiel, azot, wodór) migrują do rozciągniętej strefy kryształu, leżącej bezpośrednio pod
krawędzią dodatkowej półpłaszczyzny. Natomiast atomy o małych
średnicach,
zajmujące
położenia węzłowe migrują do
ściskanej
części kryształu, gdzie zastępując większe atomy
metalu osnowy, obniżają energię odkształcenia kryształu
Drugim prostym rodzajem dyslokacji jest
dyslokacja
śrubowa,
wyznaczająca 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.
Dyslokację
śrubową
najlepiej wyjaśnić na perspektywicznym modelu fragmentu kryształu,
którego jedna część jest przesunięta względem drugiej o jedną odległość atomową (rys. 2.19).
22
JW
Rys. 2.18. Schemat przemieszczania się dyslokacji krawędziowej przez wspinanie
W wyniku tego przesunięcia poszczególne płaszczyzny atomowe przekształcają się w
powierzchnie
śrubowe.
Rozróżnia się dyslokacje prawo-skrętne wywołujące poślizg w
kierunku pokazanym na rys. 2.19, i dyslokacje lewo-skrętne wywołujące poślizg w kierunku
przeciwnym.
Podobnie jak dyslokacje krawędziowe, dyslokacje
śrubowe
mogą przemieszczać się przy
małych naprężeniach stycznych, jeśli w płaszczyźnie poślizgu nie ma przeszkód hamujących
ich ruch. W przypadku obecności takich przeszkód (np. obcych atomów), naprężenie
potrzebne do uruchomienia dyslokacji jest tym większe, im mniejsza jest odległość między
sąsiednimi przeszkodami. Zjawisko to ma oczywisty wpływ na własności wytrzymałościowe
stopów.
Równoległe dyslokacje
śrubowe
jednoimienne odpychają się, różnoimienne —
przyciągają. Te ostatnie mogą się także w określonych przypadkach anihilować.
Rys. 2.19. Schemat dyslokacji
śrubowej
Dyslokacjom
śrubowym
nie towarzyszy objętościowe odkształcenie kryształu. Dlatego
wokół nich nie występuje wybiorcze rozmieszczenie atomów obcych pierwiastków.
Proste typy dyslokacji występują w sieci krystalicznej rzadko. Większość dyslokacji
stanowi kombinację dyslokacji krawędziowych i
śrubowych.
Omówione defekty dotyczyły zakłóceń budowy sieci krystalicznej występujących w
pojedynczym krysztale. Metale i stopy techniczne, jak już wiadomo, są jednak materiałami
wielokrystalicznymi, złożonymi z wielkiej liczby ziarn. Orientacja krystalograficzna tych
ziarn jest w zasadzie chaotyczna (rys. 2.20), toteż na granicy ziarn spotykają się różnie
zorientowane sieci przestrzenne, ukierunkowane względem siebie pod dużymi kątami,
wynoszącymi najczęściej kilkanaście do kilkudziesięciu stopni (dlatego granice ziarn nazywa
się także granicami dużego kąta). Jest rzeczą oczywistą,
że
ułożenie atomów na granicy ziarn
23
JW
jest uzależnione od działania obu stykających się sieci krystalograficznych, w wyniku czego
stanowi pewną mikrostrukturę przejściową, nie odpowiadającą orientacji ani jednego, ani
drugiego ziarna - rys. 2.21. Ta przejściowa struktura o grubości kilku odległości
międzyatomowych jest strukturą zakłóconą, tym bardziej,
że
na granicach ziarn grupują się
również wszelkie zanieczyszczenia, które nawet w najczystszych metalach występują w
pewnych ilościach. W rezultacie granice ziarn mają wyższą wytrzymałość niż inne ziarna,
natomiast niższy potencjał elektrochemiczny, a więc mniejszą odporność chemiczną,
objawiająca się m.in.
łatwiejszym
trawieniem na zgładach metalograficznych..
Łączna
energia
granic osiąga minimum w przypadku ziarn o kształcie (w przekroju) foremnych
sześcioboków i prostoliniowych granicach. Ziarna o liczbie boków (w przekroju) mniejszej
od sześciu mają granice wypukłe, a o liczbie boków większej od sześciu — granice wklęsłe
(rys. 2.22).
Rys. 2.20. Schemat orientacji krystalicznej
poszczególnych ziarnach metalu
Rys. 2.21. Schemat zakłócenia budowy
krystalicznej na granicy ziarn metalu
Tendencja do uzyskania stanu stabilnego o minimum energii granic objawia się ich
migracją, tzw.
rozrostem ziarn.
Siły napędowej migracji dostarcza energia cieplna, toteż
rozrost ziarn następuje w podwyższonej temperaturze. Najbardziej ruchliwe są niesprzężone
granice szerokokątowe.
Rys. 2.22. Kształt granic przekroju ziarna: a) równowagowy, b) i c) nierównowagowy,
d) zanik ziarna (przy rozroście): 1
÷
4 —
kolejne stadia
Ruch granicy odbywa się zawsze w kierunku
środka
jej krzywizny, jako rezultat
elementarnych przeskoków atomów przez granicę w kierunku przeciwnym, ma więc
charakter dyfuzyjny. Określony kierunek ruchu granicy sprawia,
że
rozrost ziarn jest
selektywny. Mianowicie, rozrastają się ziarna o liczbie boków większej od sześciu, natomiast
zanikają ziarna o liczbie boków mniejsze) od sześciu, jak to przedstawiono poglądowo na rys.
2.22. Rozrostowi ziarn towarzyszy zmniejszenie ich liczby. Migracja stosunkowo stabilnych
granic wąskokątowych ma charakter ruchu bezdyfuzyjnego, którego siłą napędową jest
obciążenie zewnętrzne.
Czynnikiem hamującym ruch granic szerokokątowych (rozrost ziarn) są dyspersyjne
wydzielenia obcej fazy, ale ich skuteczność jest ograniczona do temperatury, w której ulegają
rozpuszczeniu w osnowie. Tak na przykład wydzielenia azotka aluminium (AlN) w stali

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin