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.

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

Typ obcego atomu

Koncentrac

ja obcych

atomów c

at

Stopień

umocnienia

d

o

/dc

at

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

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

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.

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



host

r

r

62

,

0



Fe

C

r

r

52

,

0



Fe

N

r

r

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:

gdzie:
L – efektywna odległość pomiędzy obcymi atomami w osnowie rozpuszczalnika
f

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: 

s3/2

/700

(0,4

s

<3 dla monokryształów stopów miedzi);

G – moduł sprężystości poprzecznej,
c – atomowa koncentracja obcych atomów

L

b

f





max

0



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.

Wytrzymałość/zawartość składnika

R

pl

/% składnika

R

m

/% skladnika

Składnik

Różnica promieni

atomowych,

r

x

-r

A

/r

A

, %

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