Umocnienie metali przez cząstki

drugiej fazy

Umocnienie wydzieleniowe i dyspersyjne

Stopy, w których objętość fazy dyspersyjnej nie przekracza 10%, a

rozmiary cząstek są

rzędu 10

0

10

2

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
Guinier-Prestona
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= Gb

2

; gdzie:   0,51,0

Różnica modułów osnowy G

m

i cząstki G

p

powoduje, że do przecięcia

cząstki przez

dyslokację niezbędne jest dodatkowe naprężenie:



G

 ½ G f  ;

gdzie:  = G

p

-G

m

/G

m,

; 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 = (4πr

2

+ 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:

)

2

(

r

L

Gb

B







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:

2

/

1

2

/

3

0

7

,

0















b

Rf

G





Krytyczne naprężenie styczne dla mechanizmu omijania cząstek (Orowana):

R

f

Gb

2

/

1

0

7

,

0





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 f

1/2

. Przy stałym f umocnienie stopu jest

powodowane przez wzrost wielkości
cząstek koherentnych (



0

~ R

1/2

) lub zmniejszenie cząstek omijanych

mechanizmem Orowana (



0

~ 1/R).

Oddziaływanie dyslokacji z wydzieleniami

podczas starzenia stopu Al-Cu