Transcript Notatki z wykładu 4, cz. II

Umocnienie metali przez cząstki drugiej fazy
Umocnienie wydzieleniowe i dyspersyjne
Stopy, w których objętość fazy dyspersyjnej nie przekracza 10%, a rozmiary cząstek są
rzędu 100102 nm.
• Umocnienie wydzieleniowe – przez małe odkształcalne cząstki koherentne (i
półkoherentne) powstałe w wyniku starzenia przesyconych roztworów stałych – słabe
przeszkody dla ruchu dyslokacji
• Umocnienie dyspersyjne – przez duże nieodkształcalne cząstki niekoherentne
(najczęściej niemetaliczne)- silne przeszkody dla ruchu dyslokacji
Umocnienie metali przez cząstki drugiej fazy
Umocnienie wydzieleniowe i dyspersyjne
Schematyczne przedstawienie powstawania wydzielenia w przesyconej osnowie.
Umocnienie metali przez cząstki drugiej fazy
Umocnienie wydzieleniowe i dyspersyjne
Schemat powstawania wydzieleń w przesyconej osnowie (a, b) i ich wzrost (od c do f)
Umocnienie metali przez cząstki drugiej fazy
Umocnienie wydzieleniowe i dyspersyjne
Wykres równowagi Al-Cu i powiększony fragment z zaznaczonym stopem Al-5%Cu
Umocnienie metali przez cząstki drugiej fazy
Umocnienie wydzieleniowe i dyspersyjne
Mikrostruktura stopu Al.-5%Cu przesycanego w temperaturze 545°C i starzonego przez 12 godzin
w T = 400°C - a) i 300°C – b). a)-obraz z mikroskopu swietlnego; b) – obraz z SEM
Umocnienie metali przez cząstki drugiej fazy
Umocnienie wydzieleniowe i dyspersyjne
Mikrofotografie z transmisyjnego mikroskopu elektronowego (TEM) pokazujące powstawanie wydzieleń fazy 
w stopie Al-4,6%Cu z upływem czasu wyżarzania (od lewej do prawej).
Oddziaływanie dyslokacji z cząstkami
Z odkształcalnymi (małymi i koherentnymi) cząstkami:
• „Przecinające” (poruszająca się dyslokacja przecina cząstkę ):
-
Umocnienie koherencyjne przez pola naprężeń powstałe wokół koherentnej
cząstki,
-
Umocnienie w wyniku różnicy modułów sprężystości poprzecznej cząstki i matrycy,
Umocnienie chemiczne w wyniku utworzenia dodatkowej powierzchni międzyfazowej
cząstka-matryca,
Umocnienie przez cząstki uporządkowane - przez tworzenie powierzchni antyfazowej
w uporządkowanej cząstce,
Umocnienie w wyniku różnej energii błędu ułożenia (EBU) w cząstce i osnowie.
-
Z nieodkształcalnymi (dużymi i niekoherentnymi) cząstkami:
• „Omijające” (dyslokacja wygina się pomiędzy cząstkami,
pozostawiając wokół cząstki po jej ominięciu pętlę dyslokacyjną) –
„mechanizm Orowana”
Oddziaływanie przecinające – dyslokacja i
słabe przeszkody
Oddziaływanie przecinające – dyslokacja i
słabe przeszkody
Oddziaływanie przecinające – dyslokacja i
słabe przeszkody
Dyslokacje mogą przecinać cząstki (i pola naprężeń wokół nich ):
Im więcej jest cząstek i im są większe tym większe siły
(naprężenia) są potrzebne do ich przecięcia.
Oddziaływanie omijajace – dyslokacje
i silne przeszkody
Oddziaływanie omijajace – dyslokacje
i silne przeszkody
Oddziaływanie omijajace – dyslokacje
i silne przeszkody
Im większe są odstępy pomiędzy cząstkami tym łatwiej
przeciskają się dyslokacje przez szczeliny.
.
Każde ominięcie pozostawia za sobą pętlę dyslokacyjną
– zawężającą szczelinę pomiędzy cząstkami
Wpływ na stopień umocnienia odkształceniowego (przez zgniot).
Oddziaływanie przecinające –
umocnienie koherencyjne
Pola odkształceń
wokół stref GuinierPrestona
miedzi (Cu)
w aluminium (Al)
Małe wydzielenia koherentne z osnową.
Wszystkie płaszczyzny sieciowe, zawierające płaszczyzny poślizgu
są ciągłe (niezmienione)
Gdy dyslokacja przechodzi przez wydzielenie; inne
parametry sieci wydzielenia powodują, ze wokół niego
powstaje pole naprężeń (o stosunkowo dalekim zasięgu)
Pole to oddziałuje bezpośrednio z polem naprężeń wokół dyslokacji.
∆τ ~ 2 G ε f
ε = niedopasowanie odkształceniowe, f = udział objętościowy
wydzieleń
Oddziaływanie przecinające - Umocnienie w
wyniku różnicy modułów sprężystości poprzecznej
Energia dyslokacji zależy od modułu G ośrodka w którym się znajduje E= Gb2;
gdzie:   0,51,0
Różnica modułów osnowy Gm i cząstki Gp powoduje, że do przecięcia cząstki przez
dyslokację niezbędne jest dodatkowe naprężenie:
G  ½ G f  ;
gdzie:  = Gp-Gm/Gm,; f – udział objętościowi wydzieleń
Oddziaływanie przecinające –
umocnienie chemiczne
Przecięcie cząstki przez dyslokację powoduje wzrost powierzchni międzyfazowej (w przypadku
cząstki kulistej o 2Rb).
Oddziaływanie przecinające –
umocnienie chemiczne
Energia powierzchniowa = (4πr2 + 2πrb)γ ;
gdzie:  - energia jednostkowa powierzchni międzyfazowej
pomiędzy cząstka a osnową
Wzrost umocnienia wyrażony wzrostem naprężenia:
chem f/2b
gdzie: f – udział objętościowy wydzieleń
Oddziaływanie przecinające –Umocnienie w
wyniku różnej energii błędu ułożenia (EBU)
Energia błędu ułożenia (EBU) wydzielenia
jest mniejsza niż osnowy:
Szerokość błędu wzrasta;
Energia sprężysta jednostkowa dyslokacji 
Całkowita energia dyslokacji w cząstce 
Energia błędu ulożenia (EBU) wydzielenia
jest większa niż osnowy:
Szerokość błędu zmniejsza się:
Jednostkowa energia sprężysta dyslokacji 
Całkowita energia dyslokacji w cząstce 
W każdym przypadku, wydzielenia
umacniają stop.
Oddziaływanie przecinające - Umocnienie przez
cząstki uporządkowane
“Superstopy” są klasycznym przykładem tego umocnienia
Kluczowym składnikiem ich struktury jest faza (Ni, Fe)3Al: γ`.
We współczesnym superstopie może być ok.. 60 - 85% γ`
Nikiel jest swoistym spoiwem utrzymującym fazy γ` razem.
Oddziaływanie przecinające - Umocnienie przez
cząstki uporządkowane
Dyslokacja przecinając cząstkę uporządkowaną “burzy” porządek i powoduje powstawanie w
obrębie cząstki granicy antyfazowej oraz związanej z nią powierzchni antyfazowej.
Z utworzeniem powierzchni antyfazowej jest związana dodatkowa energia tzw. energia
powierzchni granicy antyfazowej - a
Energia dyslokacji przechodzącej przez cząstkę jest zwiększona o energię PGA.
Cząstki uporządkowane podwyższają w ten sposób naprężenie potrzebne do ruchu dyslokacji.
Dodatkowe naprężenie potrzebne do przecięcia cząstek uporzadkowanych:
PGA   (EPGA) f / 2b
gdzie: EPGA – energia powierzchniowa granicy antyfazowej; f – udział objętościowy wydzieleń
Oddziaływanie omijające – mechanizm Orowana
Silne przeszkody – nieodkształcalne i twarde cząstki
Wydzielenia są bardzo efektywnymi blokadami
dla poruszających się dyslokacji jeśli:
• są uporządkowanymi związkami międzymetalicznymi
– z silnymi ukierunkowanymi wiązaniami
(np. CuAl2 w stopach Al, Ni3Al w superstopach na bazie Ni,
Fe7Mo6 stalach maraging)
• są (prawie) związkami o wiązaniach kowalentnych
(np. Fe3C, WC, AlN w stalach, MoSi2 w stopach Al)
• mają wyraźną granicę fazową z osnową,
• mają silne wokół siebie pola naprężeń wskutek
niedopasowania z siecią osnowy,
• są duże i dlatego trudne do przecięcia.
•Jednakże większe cząstki to jednocześnie mniejsza ich
ilość i większe odległości miedzy nimi w osnowie .
Oddziaływanie omijające – mechanizm Orowana
Ilustracja mechanizmu Orowana
Oddziaływanie omijające – mechanizm Orowana
Wzrost krytycznego naprężenia stycznego związanego z omijaniem cząstek przez
poruszające się dyslokacje:
B 
Gb
( L  2r )
Dla stali: G = ~ 90 GPa; b = ~ 0.25 nm
L-2r (m)
 (MPa)
0.01
2250
Czy wykonalne?
0.1
225
użyteczne
1
22.5
Nic nie
znaczący wzrost
umocnienia
10
2.25
Krytyczne naprężenie styczne - stopień umocnienia
cząstkami drugiej fazy
Krytyczne naprężenie styczne dla mechanizmu przecinania cząstek:
1/ 2
 0  0,7
3/ 2
 Rf 
G 
 b 
Krytyczne naprężenie styczne dla mechanizmu omijania cząstek (Orowana):
f 1/ 2
 0  0,7Gb
R
gdzie:  - stała proporcjonalności; b- wektor Burgersa; f – udział objetościowy cząstek;
R – promień cząstki; G- moduł sprężystości poprzecznej
Stopień umocnienia stopu cząstkami drugiej fazy (mierzony krytycznym naprężeniem stycznym 0) o określonej
wielkości (R) jest proporcjonalne do f1/2. Przy stałym f umocnienie stopu jest powodowane przez wzrost
wielkości
cząstek koherentnych (0 ~ R1/2) lub zmniejszenie cząstek omijanych mechanizmem Orowana (0 ~ 1/R).
Oddziaływanie dyslokacji z wydzieleniami podczas
starzenia stopu Al-Cu