Umocnienie metali i stopów

Umacnianie metali - wprowadzenie

Teoretyczna wytrzymałość monokryształów czystych metali ( rzędów wielkości większa niż wyznaczona doświadczalnie dla rzeczywistych monokryształów (od 10 -4 do 10 -8 G) –  G/30) jest o kilka

powód – obecność dyslokacji.

Przykład: G/30 dla aluminium wynosi 0,9 GPa, w rzeczywistości jest 0,78 MPa.

Jak można zwiększyć tą małą wytrzymałość? Recepta jest prosta – wyeliminować dyslokacje (cienkie whiskersy) lub ograniczyć im możliwość ruchu.

Umacnianie metali = ograniczenie ruchu dyslokacjom

Whiskersy, monokryształy w postaci włókien o bardzo małych średnicach, posiadające idealną budowę krystaliczną (czasami rzeczywiście 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 wynika ze specyfiki wiązania metalicznego.

Wpływ typu wiązania międzyatomowego na wytrzymałość materiału

Granica plastyczności – opór przeciw poślizgowi (ruchowi) dyslokacji, który wzrasta wraz ze wzrostem kierunkowości i sztywności wiązania między atomami.

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,

Wydzielenia w osnowie matrycy z „mocnymi" strukturami krystalicznymi działają 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

Przykłady umocnienia roztworowego metali

Przykłady umocnienia roztworowego metali

Umocnienie roztworowe

    Możliwe oddziaływania pomiędzy dyslokacjami i obcymi rozpuszczonymi atomami: Sprężyste - Pole naprężeń wokół dyslokacji oddziałuje z polem naprężeń wokół obcego 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 dyslokacji przez grupujące się w ich bliskim sąsiedztwie atomy - poprzez odpychanie => dyslokacje muszą „przeciskać się” pomiędzy atomami

Oddziaływanie sprężyste dyslokacji z obcym atomem

Możliwe zniekształcenia w sieci krystalicznej rozpuszczalnika wywołane przez • • obcy atom: Zniekształcenie symetryczne – atomy różnowęzłowe w metalach o sieci A1 i A2 oraz atomy międzywęzłowe w metalach o sieci A1, Zniekształcenie tetragonalne – atomy międzywęzłowe w metalach o sieci A2, np. węgiel w żelazie  .

Wpływ obcych atomów na umocnienie roztworów stałych

Metal macierzysty Al (A1) Cu (A1) Fe (A2) Nb (A2) Ni (A1) Typ obcego atomu Atomy substytucyjne Atomy substytucyjne Atomy substytucyjne Atomy substytucyjne Atomy międzywęzłowe Koncentracja obcych atomów c at  10 -2 Stopień umocnienia d  o /dc at G/10 G/20 G/16 G/10 G/10 Cu (A1) napromieniowana Fe (A2) Nb (A2) Atomy międzywęzłowe Cu Atomy międzywęzłowe C Atomy międzywęzłowe N  10 -4 9G 5G 5G

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 c o w matrycy i wokół BU.

B: (Stan równowagowy) Obce atomy o koncentracji c o w matrycy, i c 1 ( > c o ) 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

Oddziaływanie elektryczne pomiędzy dyslokacją i obcym atomem

• • • Podobny charakter oddziaływania do sprężystego oddziaływania obcego atomu wywołującego odkształcenie symetryczne sieci rozpuszczalnika, ale kilka 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 elektryczny wzdłuż dyslokacji, który oddziałuje z ładunkiem obcego atomu o odmiennej wartościowości niż atom osnowy.

Efekty oddziaływania dyslokacji z obcymi atomami

Blokowanie dyslokacji – obce atomy gromadzą się wokół dyslokacji  Blokowanie sprężyste – Atmosfery Cottrella, efekt wyraźnej R pl z nią zjawisko starzenia odkształceniowego, i związane   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.

Mechanizm blokowania dyslokacji – blokowanie sprężyste

Mała liczba przypadków, ale o wielkim znaczeniu: Miedzywęzłowe atomy C, N w żelazie i innych metalach o sieci A2 Luka oktaedryczna w środku ściany komórki sieci A2

A

Odległość A-A jest mniejsza niż B-B, i określa rozmiar atomu miedzywęzłowego.

r

int .

r host

 0 , 155 Rzeczywiste stosunki promieni atomowych:

r C r Fe

 0 , 62

r N r Fe

 0 , 52 Efekt: każdy atom międzywęzłowy wytwarza wokół siebie niesymetryczne pole naprężeń (zniekształcenie tetragonalne sieci) Pola naprężeń o charakterze hydrostatycznym i tnącym oddziałują zarówno z dyslokacjami krawędziowymi jak i śrubowymi.

Niedopasowanie, δ = ~ 10 % do 100%

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.

Wyraźna granica plastyczności i zjawisko starzenia odkształceniowego

Mechanizm utrudniania ruchu dyslokacji – siły działające na poruszającą się dyslokację

Klasyfikacja przeszkód ograniczających ruch dyslokacji:  Silne i słabe przeszkody – zależy to od kąta do jakiego może wygiąć się dyslokacja zanim przedrze się przez nie,  Rozproszone i skupione – zależy to od 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 słabe że R   - średnia odległość między obcymi atomami

Obce atomy jako silne rozproszone przeszkody – oddziaływanie dalekiego zasięgu

Silne rozproszone przeszkody – obce atomy wywołujące tetragonalne zniekształcenie sieci rozpuszczalnika.

Jeśli R< λ, linia dyslokacji może się dość mocno wyginać, znajdując kształt o minimalnej energii, przy przedzieraniu się przez szyk centrów naprężeń wokół obcych atomów.

Linia dyslokacyjna ma tendencję do omijania przeszkód po jednej na raz.

„Silne oddziaływania" kontrolują kształt linii dyslokacyjnej.

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 niż średnia odległość miedzy obcymi atomami λ.

Napięcie liniowe dyslokacji (T=  Gb 2 ) ma silny wpływ na kształt linii dyslokacyjnej.

Umocnienie roztworowe – mechanizm utrudniania ruchu dyslokacji

Wzrost naprężenia uplastyczniającego wywołanego przez obce atomy:  0 

b f

max 

L

gdzie: f L – efektywna odległość pomiędzy obcymi atomami w osnowie rozpuszczalnika max – maksymalna siła oporu działająca na poruszającą się dyslokację, b – wektor Burgersa Przybliżone obliczenia siły oporu f max (wykonane przez Fleischera) dla: Tetragonalnego zniekształcenia mieszczą się w zakresie:

Gb 2 /5 to Gb 2 /10;

Symetrycznego zniekształcenia mieszczą się w przedziale:

Gb 2 /100 to Gb 2 /120

.

Według teorii Friedela-Fleischera: 

o

 

Gc 1/2

; Według teorii Nabarry : 

o

 

Gc 2/3

; 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:  s 3/2 /700 (0,4  s <3 dla monokryształów stopów miedzi); G – moduł sprężystości poprzecznej, c – atomowa koncentracja obcych atomów

Wytrzymałość umocnionych roztworów

Efekt umocnienia, a zrazem wytrzymałość roztworu, jest proporcjonalny do: 1. Ilości obcych atomów (c- ich koncentracji w roztworze) 2. Stopnia niedopasowania, δ (r s -r m /r m ) 3. Modułu sprężystości poprzecznej rozpuszczalnika (G)

Wytrzymałość umocnionych roztworów

Efekty umocnienia roztworowego czystego aluminium (Al) przez wybrane pierwiastki stopowe.

Składnik

Zn Cu Mg Si Mn

Różnica promieni atomowych,

r

x -r A /r A , %

-7.0 -10.5 +11.9 -18.2 -21.7

Wytrzymałość/zawartość składnika R pl /% składnika R m /% skladnika MPa/at% MPa/wt% MPa/at% MPa/wt%

6.6 2.9 20.7 15.2 16.2 18.6 9.3 (a) 13.8 17.2 9.2 30.3 88.3 51.0 40.0 (a) 43.1 50.3 39.6 53.8 (a) 1%at Mn nie rozpuszcza się w Al