MECHANIZMY

ODKSZTAŁCENIA, UMOCNIENIA

I PĘKANIA MATERIAŁÓW

IM 42
sekcja 2

Karolina Kowalczyk

Wydział Inżynierii Materiałowej i
Metalurgii
- Seminarium dyplomowe

Mechanizmy odkształcenia materiałów

Czynniki, od których zależy sposób odkształcenia
materiałów:



skład chemiczny,



struktura – odkształcenie polikryształu i
monokryształu,



temperatura procesu – odkształcenie na zimno,
odkształcenie na gorąco,
wzrost gęstości dyslokacji –
umocnienie materiału

równocześnie z umocnieniem
zachodzą aktywowane cieplnie procesy odbudowy
struktury – przywrócenie materiałom plastyczności

Mechanizmy odkształcenia materiałów

Odkształcenie monokryształów



podstawowym mechanizmem jest

poślizg

– polegający

na przemieszczaniu się jednej części kryształu
względem drugiej bez zmiany objętości oraz orientacji
krystalograficznej,



poślizg polega na czystym ścinaniu warstw kryształu
wzdłuż określonych płaszczyzn i kierunków
krystalograficznych – systemów poślizgu,



po wyczerpaniu możliwości poślizgu odkształcenie
monokryształu może następować w wyniku
bliźniakowania polegającego na jednorodnym ścinaniu
o wektor bliźniakowania kolejnych warstw atomowych
w płaszczyznach bliźniakowania

Mechanizmy odkształcenia materiałów

Rys. 1 Schemat
zbliźniaczonego
kryształu

Zbliźniaczona
część kryształu
stanowi
lustrzane
odbicie części
nieodkształcone
j, obie struktury
są osiowo
symetryczne
względem
płaszczyzny
bliźniakowania

Mechanizmy odkształcenia materiałów

Rys. 2

Systemy
bliźniakowania
w kryształach
metali

Mechanizmy odkształcenia materiałów

Odkształcenie polikryształów



odkształcenie przebiega jednocześnie w wielu
ziarnach wzajemnie oddziałujących na siebie, w
wielu systemach poślizgu,



odkształcenie poniżej temperatury rekrystalizacji
następuje w wyniku poślizgu i bliźniakowania,



odkształcenie rozkłada się nierównomiernie na
przekroju poszczególnych zarn i jest znacznie
większe w sąsiedztwie granicy niż wewnątrz,



w zakresie odkształcenia sprężystego zależność
naprężenie – odkształcenie zgodna jest z
prawem Hooke’a

Mechanizmy odkształcenia materiałów

Rys. 3

Schemat
ilustrujący
charakterysty
czne cechy
zachowania
się metalu
podczas
odkształcenia
plastycznego

= R

0,2

umowna granica
plastyczności

Mechanizmy odkształcenia materiałów

Odkształcenie plastyczne na gorąco



oprócz odkształcenia plastycznego w
temperaturze wyższej od temperatury
rekrystalizacji oprócz poślizgu i
bliźniakowania aktywują się nowe
mechanizmy odkształcenia:

pełzanie dyfuzyjne,
pełzanie dyslokacyjne,
poślizg po granicach ziarn

Mechanizmy odkształcenia materiałów



pełzanie dyfuzyjne

– polega na odkształceniu

plastycznym metalu za pośrednictwem
dyfuzyjnego ruchu masy po granicach ziarn i
poprzez ziarna pod działaniem naprężeń
normalnych,



pełzanie dyslokacyjne

– jest złożonym

mechanizmem odkształcenia wywołanym
różnego typu przemieszczeniami dyslokacji i ich
oddziaływania z defektami struktury,



poślizg po granicach ziarn

– następuje za

pośrednictwem ruchu dyslokacji granic ziarn; ma
znaczenie podczas odkształcania materiałów o
drobnych ziarnach

Mechanizmy umocnienia materiałów

Rys. 4
Wady
struktury
obniżają
wytrzymałość
materiału aż
do
osiągnięcia
pewnej
wartości
minimalnej,
po
przekroczeniu
której
materiał
ponownie
umacnia się.



sposób hamowania ruchu dyslokacji w kryształach

decyduje o
mechanizmie umocnienia materiału

Mechanizmy umocnienia materiałów



umocnienie odkształceniowe

uzyskuje

się podczas odkształcenia plastycznego
na zimno; zwiększenie gęstości
dyslokacji ρ

ρ= ρ

+ c ·

gdzie:
ρ0 – gęstość dyslokacji w stanie
wyżarzonym

– odkształcenie

�
c,α – stałe materiałowe



Mechanizmy umocnienia materiałów



umocnienie atomami domieszek

wprowadzonych
do sieci kryształu następuje w wyniku
lokalnego odkształcenia sieci lub
zgrupowania się tych atomów w
sąsiedztwie dyslokacji; mechanizm
ten wykorzystywany jest w stopach
metali

Mechanizmy umocnienia materiałów

a.) wakans i kontrakcja
sieci

b.) atom międzywęzłowy
i ekspansja sieci



Dyslokacja musi pokonać dodatkowe pole naprężeń

wywołane
zniekształceniem sieci

Mechanizmy umocnienia materiałów

Rys. 5

Skupisko
atomów w
sąsiedztwie
dyslokacji;

Atomy grupujące się
wokół dyslokacji
tworzą tzw.
atmosfery

Cottrella

Uwolnienie dyslokacji

od atmosfery
wymaga
dodatkowego
naprężenia,
potrzebnego na
pokonanie pola
odkształceń
sprężystych, dalszy
ruch dyslokacji może
odbywać się już pod
działaniem
naprężenia o
mniejszej wartości.

Mechanizmy umocnienia materiałów



umocnienie granicami ziarn

uzyskuje się w wyniku

zablokowania dyslokacji przez granice ziarn;

zależność granicy plastyczności od średnicy ziarna
określa równanie Halla – Petcha:

σgp = σ

+ k ·

gdzie:
σgp – naprężenie odpowiadające granicy plastyczności
materiału,
σ0 - naprężenie tarcia swobodnych dyslokacji,
k – współczynnik zależny od struktury materiału,
d – średnia średnica ziarna



Mechanizmy umocnienia materiałów

Rys. 6

Liniowe
układy
krawędziowyc
h dyslokacji
spiętrzonych
na granicach
ziarn

Mechanizmy umocnienia materiałów



umocnienie

wydzieleniowe

spowodowane jest zablokowaniem

ruchu dyslokacji przez drobne wydzielenia faz
międzymetalicznych, węglików, azotków itp. Mechanizm ten
występuje w stopach. Dyslokacje przemieszczające się w
płaszczyznach poślizgu, na których występują cząstki fazy
wtórnej, mogą przecinać wydzielenie, omijać wydzielenia
tworząc wokół nich zamknięte pętle, lub zmieniać płaszczyznę
poślizgu w wyniku poślizgu poprzecznego lub wspinania.

Efekt umocnienia wydzieleniowego zależy od wielu czynników, z
których najważniejsze to:



średnica wydzieleń,



średnia odległość pomiędzy nimi,



właściwości wydzieleń charakteryzowane najczęściej za
pomocą modułu sprężystości postaciowej G,



współzależność sieci krystalograficznej wydzielenie – osnowa.

Rys. 5 Schemat przemieszczania się dyslokacji przez
wydzielenia faz dyspersyjnych 1.) dyslokacja przecina
wydzielenie, 2.) dyslokacja omija wydzielenia tworząc wokół
cząstek zamknięte pętle

1
.

2
.

Mechanizmy pękania materiałów

Pęknięcie

– przekroczenie naprężenia

odpowiadającego wytrzymałości materiału, które
powoduje makroskopowe rozdzielenie; proces
pękania może być poprzedzony odkształceniem
plastycznym



w zależności od zachowania się materiału w
procesie pękania rozróżnia się

materiały

plastyczne

lub

materiały kruche



sposób pękania materiału zależy od warunków
zewnętrznych: temperatury, stanu powierzchni,
stanu naprężeń, szybkości odkształcenia

Mechanizmy pękania materiałów

Proces pękania klasyfikowany jest również na
podstawie miejsc, w których następuje utrata spójności
materiału:



pękanie transkrystaliczne – przebiegające przez
ziarna,

zachodzi wzdłuż płaszczyzn łupliwości –
pękanie rozdzielcze,
po płaszczyznach poślizgu – pękanie ciągliwe



pękanie międzykrystaliczne – rozprzestrzeniające się
po granicach ziarn

Płaszczyznami łupliwości są płaszczyzny o małej
energii powierzchniowej.

Mechanizmy pękania materiałów

a.) pękanie

międzykrystaliczne

b.) pękanie

transkrystaliczne

Mechanizmy pękania materiałów

a.) pękanie rozdzielcze –
przełom łupliwy

b.) pękanie ciągliwe –
przełom ciągliwy

Mechanizmy pękania materiałów



teoria kruchego pękania Griffith’a na podstawie
badań wytrzymałości szkła; występowanie w szkle
mikropęknięć;



pod wpływem naprężeń rozciągających σ, przy
wierzchołka szczeliny następuje spiętrzenie
naprężeń σ

, które można wyznaczyć z zależności:

σc = 2σ

gdzie:
a – połowa szerokości szczeliny,
r – promień przy wierzchołku szczeliny



Mechanizmy pękania materiałów



pęknięcie może się rozprzestrzeniać, jeżeli
naprężenie krytyczne σ

osiągnie wartość:

= 2

gdzie:
E – moduł sprężystości podłużnej,
γ

– efektywna energia powierzchniowa



mikropęknięcie zaczyna się gwałtowanie powiększać
dzięki zamianie energii sprężystej na energię
powierzchniową pęknięcia,



energia sprężysta wyzwolona podczas pęknięcia – siła
rozwoju pęknięcia



współczynnik intensywności naprężeń

= E · G



Mechanizmy pękania materiałów

Modele rozprzestrzeniania się pęknięć:
a.) przez rozdzielenie ( rozwarcie )
b.) przez poślizg ( ścięcie )
c.) przez poślizg styczny do wierzchołka pęknięcia ( ścięcie
poprzeczne )

Mechanizmy pękania materiałów



sposób zarodkowania mikropęknięć, które
powstają w wyniku wzajemnego oddziaływania
dyslokacji lub dyslokacji z innymi defektami
struktury kryształu

spiętrzenie dyslokacji pokonanie przeszkody
zarodkowanie pęknięcia



naprężenie konieczne do utworzenia
mikropęknięcia w polikryształach zależy od
średnicy ziarna – decyduje ona o długości
spiętrzenia dyslokacji i o wielkości koncentracji
naprężeń

Mechanizmy odkształcenia,

umocnienia

i pękania materiałów

Podsumowanie:



przedstawione mechanizmy umocnienia pozwalają
w szerokim zakresie kształtować właściwości
mechaniczne materiałów,



w materiałach jednoskładnikowych wzrost
wytrzymałości można uzyskać jedynie przez
umocnienie odkształceniowe,



umocnienie stopów może być wynikiem
jednoczesnego oddziaływania kilku mechanizmów



zwiększenie wytrzymałości materiałów uzyskiwane
jest często kosztem obniżenia właściwości
plastycznych.

Mechanizmy odkształcenia, umocnienia

i pękania materiałów

Podsumowanie:



wszystkie mechanizmy pękania opierają
się na modelu spiętrzania dyslokacji
przez defekty struktury kryształu,



istotny jest wzrost naprężeń w materiale,



pęknięcie rozwija się gdy energia
odkształcenia sprężystego jest większa
od energii utworzonych powierzchni
pęknięcia oraz dodatkowej energii
pękania.