umocnienie metali i stopów

21
Umocnienie metali i stopów

Upload: shubha

Post on 12-Jan-2016

106 views

Category:

Documents


1 download

DESCRIPTION

Umocnienie metali i stopów. Umacnianie metali - wprowadzenie. Teoretyczna wytrzymałość monokryształów czystych metali (  G/30) jest o kilka rzędów wielkości większa niż wyznaczona doświadczalnie dla rzeczywistych monokryształów ( od 10 -4 do 10 -8 G) – powód – obecność dyslokacji . - PowerPoint PPT Presentation

TRANSCRIPT

Page 1: Umocnienie metali i stopów

Umocnienie metali i stopów

Page 2: Umocnienie metali i stopów

Umacnianie metali - wprowadzenie

Teoretyczna wytrzymałość monokryształów czystych metali ( G/30) jest o kilka rzędów wielkości większa niż wyznaczona doświadczalnie dla rzeczywistych monokryształów (od 10-4 do 10-8G) – 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 plastycznadeformacja metali występuje wskutek ruchu dyslokacji. Stosunkowa łatwość ruchudyslokacji w metalach, będąca konsekwencją dość niskiej wytrzymałości wynika zespecyfiki wiązania metalicznego.

Page 3: Umocnienie metali i stopów

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.

Page 4: Umocnienie metali i stopów

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

Page 5: Umocnienie metali i stopów

Przykłady umocnienia roztworowego metali

Page 6: Umocnienie metali i stopów

Przykłady umocnienia roztworowego metali

Page 7: Umocnienie metali i stopów

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 obcymirozpuszczonymi 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

Page 8: Umocnienie metali i stopów

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 .

Page 9: Umocnienie metali i stopów

Wpływ obcych atomów na umocnienie roztworów stałych

Metal macierzysty Typ obcego atomu

Koncentracja obcych

atomów cat

Stopień umocnieniado/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

Page 10: Umocnienie metali i stopów

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 co w matrycy i wokół BU.

B: (Stan równowagowy)

Obce atomy o koncentracji co w 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

Page 11: Umocnienie metali i stopów

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.

Page 12: Umocnienie metali i stopów

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.

Page 13: Umocnienie metali i stopów

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

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

Rzeczywiste stosunki promieni atomowych:

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%

A

155,0.int hostr

r

62,0Fe

C

r

r52,0

Fe

N

r

r

Page 14: Umocnienie metali i stopów

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.

Page 15: Umocnienie metali i stopów

Wyraźna granica plastyczności i zjawisko starzenia odkształceniowego

Page 16: Umocnienie metali i stopów

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/2i,

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

Page 17: Umocnienie metali i stopów

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.

Page 18: Umocnienie metali i stopów

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= Gb2) ma silny wpływ na kształt linii dyslokacyjnej.

Page 19: Umocnienie metali i stopów

Umocnienie roztworowe – mechanizm utrudniania ruchu dyslokacji

Wzrost naprężenia uplastyczniającego wywołanego 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

Przybliżone obliczenia siły oporu fmax (wykonane przez Fleischera) dla:Tetragonalnego zniekształcenia mieszczą 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

(0,4s<3 dla monokryształów stopów miedzi);G – moduł sprężystości poprzecznej,c – atomowa koncentracja obcych atomów

Lb

f

max

0

Page 20: Umocnienie metali i stopów

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 (rs-rm/rm)

3. Modułu sprężystości poprzecznej rozpuszczalnika (G)

Page 21: Umocnienie metali i stopów

Wytrzymałość umocnionych roztworów

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

Wytrzymałość/zawartość składnika

Rpl/% składnika Rm/% skladnika Składnik Różnica promieni

atomowych, rx-rA/rA, % MPa/at% MPa/wt% MPa/at% MPa/wt%

Zn -7.0 6.6 2.9 20.7 15.2

Cu -10.5 16.2 13.8 88.3 43.1

Mg +11.9 18.6 17.2 51.0 50.3

Si -18.2 9.3 9.2 40.0 39.6

Mn -21.7 -(a) 30.3 -(a) 53.8

(a) 1%at Mn nie rozpuszcza się w Al