Fizyczne podstawy materiałoznawstwa
Rozdział 6 - Struktura rzeczywistych kryształów i ich agregatów
1. Na czym polega różnica między kryształami idealnymi i rzeczywistymi?
Kryształy idealne mają budowę zgodną z prawami krystalografii (periodyczności i symetrii),
w związku z tym nie zawierają one żadnych defektów czyli nieprawidłowości w układzie
atomów. W naturze takie kryształty w ogóle nie występują. Kryształy rzeczywiste zawierają
różne defekty, które powodują pewne zniekształcenie sieci krystalicznej i są ośrodkami
nagromadzenia energii (odkształcenia) wynikającej stąd, że każdy defekt powoduje
przedsunięcie atomów z ich położeń równowagi, czyli odpowiadających minimalnej energii
potencjalnej (rys.4.1)(rys.4.1).
2. Jaki jest wpływ defektów na własności kryształów?
Wpływ defektów sieci na własności kryształów jest bardzo istotny - często znacznie większy
niż wpływ typu sieci krystalicznej. Tak np. wakancje ułatwiają dyfuzję atomów a wiadomo,
że dyfuzja jest podstawą prawie wszystkich procesów i przemian zachodzących w
materiałach. Z kolei defekty liniowe (dyslokacje) ułatwiają odkształcanie metali i bez nich
przeróbka plastyczna byłaby niemożliwa. Bardzo ważne są także granice ziarn jako defekty
powierzchniowe , które są czynnikiem umacniającym materiał, ale w pewnych przypadkach
mogą odgrywać negatywną rolę. Dlatego znajomość defektów i ich roli w różnych procesach
jest bardzo ważna w nowoczesnym materiałoznawstwie.
3. Jak klasyfikujemy defekty sieci krystalicznej?
Defekty struktury krystalicznej możemy podzielić na szereg grup w zależności od przyjętych
kryteriów. Najczęściej stosuje się podział w zależności od tego czy pozycja defektu jest
określona punktem, linią czy powierzchnią na defekty punktowe, liniowe lub
powierzchniowe. Z termodynamicznego punktu widzenia można podzielić defekty na
termodynamicznie trwałe i nietrwałe. Osobną grupę stanowią defekty elektronowe (dziury i
wolne elektrony przewodnictwa), które są podstawą półprzewodnictwa. Do defektów sieci
zalicza się również fonony, czyli kwanty drgań sieci krystalicznej, które są odpowiedzialne na
zniekształcenia sieci wywołane termicznymi drganiami atomów, ale także na skutek
oddziaływania z atomami (węzłami sieci) mogą tworzyć defekty punktowe (atomy
międzywęzłowe i wakancje
4. Jakie defekty zaliczamy do punktowych?
Do punktowych zaliczamy wakancje, atomy międzywęzłowe, atomy domieszek
(substytucyjne i międzywęzłowe) i defekty złożone np. podwójna wakancja (diwakancja) lub
atom domieszki połączony z wakancją. Wspólną cechą tych defektów jest to, że ich pole
naprężeń ma symetrię kulistą, której centrum znajduje się w środku defektu.
5. Co to są wakancje?
Wakancja jest defektem powstałym w wyniku nieobsadzenia węzła sieci przez atom (rys.6.1)
(rys.6.1a). Wskutek tego sąsiednie atomy przesuwają się w kierunku pustego miejsca, co
wywołuje zniekształcenie sieci i wytwarza pole naprężeń rozciągające. Wakancje zalicza się
do defektów termodynamicznie trwałych, co oznacza, że przy każdej temperaturze ustala się
ich równowagowa koncentracja Nv, zgodna z prawem Boltzmanna: nv -w/kT Nv = ÄÄ ÷ A e
na gdzie Nv - liczba wakancji, na - liczba atomów, A - stała, w - energia niezbędna do
utworzenia jednej wakancji (wynosi ok.0,8 eV), k - stała Boltzmanna.
Z wzoru wynika, że jest to zależność wykładnicza, tzn. że równowagowa koncentracja
wakancji rośnie gwałtownie z temperaturą (rys.6.2)(rys.6.2) i w pobliżu temperatury topnienia ich koncentracja Nv = ok. 5*10-4, podczas gdy przy temperaturze pokojowej Nv = ok.10-15,
czyli że zmiana wynosi 11 rzędów wielkości (1011 razy). W kryształach jonowych taki defekt
nazywa się defektem Shottky'ego.
6. Co to jest atom międzywęzłowy?
Atom międzywęzłowy jest to defekt, który polega na tym, że w sieci zbudowanej z
identycznych atomów lub o zbliżonych średnicach jeden z atomów osnowy znajduje się
między węzłami sieci (rys.6.1)(rys. 6.1b). Powoduje to przemieszczenie sąsiednich atomów z położeń równowagi na zewnątrz, wywołując pole naprężeń ściskających (a więc przeciwnie
niż w przypadku wakancji). Atomy międzywęzłowe w metalach powstają najczęściej parami
wraz z wakancjami na skutek oddziaływania z fononami, odkształcenia plastycznego lub
naświetlania cząstkami o wysokiej energii (neutrony, cząstki alfa). W warunkach równowagi
ich koncentracja jest znikomo mała. W kryształach jonowych atom międzywęzłowy
nazywany jest defektem Frenkla.
7. Omów atomy domieszek jako defekty punktowe.
Atomy domieszek jako defekty punktowe można podzielić na substytucyjne i
międzywęzłowe. Substytucyjne mają średnice atomowe zbliżone do atomów osnowy i dlatego
mogą zastępować je w węzłach sieci. Międzywęzłowe są znacznie mniejsze od atomów
osnowy, a zbliżone do luk międzyatomowych tzn. naturalnych przestrzeni między atomami,
których wielkość zależy od typu sieci (rys.6.3) (rys.6.3). Dlatego atomy te lokują się w tych lukach, z reguły wywołując naprężenia ściskające, tzn. że rozpychają sąsiednie atomy na
zewnątrz. Atomy substytucyjne mogą być większe od atomów osnowy i wówczas również
wywołują naprężenia ściskające (rys.6.4)(rys.6.4a) lub mniejsze i wtedy atomy sąsiednie przesuwają się do wewnątrz (jak w przypadku wakancji - (rys.6.4)rys.6.4b), wywołując naprężenia rozciągające. Domieszki substytucyjne stanowią wszystkie atomy z wyjątkiem
kilku o najniższych liczbach atomowych tzn. H, B, C, N i O, które są domieszkami
międzywęzłowymi.
8. Jakie są rodzaje luk międzyatomowych i gdzie są one rozmieszczone?
Luki międzyatomowe są obecne nawet w sieciach o najgęstszym wypełnieniu atomami,
takich jak A1 i A3. Ich wielkość, kształt i rozmieszcenie zależą jednak od typu sieci i rodzaju
pierwiastka osnowy.
Ogólnie biorąc luki można podzielić wg kształtu na tetraedryczne (czworościenne) i
oktaedryczne (ośmiościenne). Pierwsze są znacznie mniejsze nawet od atomów
międzywęzłowych i w związku z tym uważa się, że nie mogą one być trwale zajmowane
przez te atomy. W sieci A2 są one rozmieszczone w pobliżu środków krawędzi, a w sieciach
A1 i A3 między czterema atomami stykającymi się ze sobą (rys.6.3)(rys.6.3). Luki oktaedryczne są nieco mniejsze niż atomy domieszek międzywęzłowych i dlatego (z
wyjątkiem wodoru) silnie zniekształcają sieć. W sieci A1 luki są rozmieszczone w środku
komórki i na środkach wszystkich krawędzi i są kuliste, a w sieci A2 na środkach ścian oraz
na środkach krawędzi i są spłaszczone. Uważa się, że tylko luki oktaedryczne mogą być
trwale zajmowane przez atomy międzywęzłowe. Luki te odgrywają decydującą rolę w
procesie dyfuzji mechanizmem międzywęzłowym, który polega na przeskokach tych atomów
z jednej luki do drugiej (sąsiedniej). Ponieważ w tym przypadku nie są konieczne wakancje,
szybkość dyfuzji jest duża (o kilka rzędów wielkości większa niż mechanizmem
wakancyjnym). Duże zniekształcenie sieci wywołane obecnością atomów międzywęzłowych
w lukach powoduje, że rozpuszczalność tych atomów jest mała.
9. Jakie atomy domieszek zaliczamy do międzywęzłowych?
Do międzywęzłowych zaliczamy atomy, które cechuje mała wielkość. Są to atomy o małych
liczbach atomowych zlokalizowane na początku układu okresowego. Jedynie atomy wodoru
mają tak małą średnicę, że swobodnie mieszczą się w lukach nie wywołując żadnego
zniekształcenia sieci, co powoduje że dyfundują one bardzo szybko. Inne atomy (B,C,N,O) są
większe niż luki, które zajmują i w związku z tym silnie zniekształcają sieć. Uważa się, że
atomy boru mogą częściowo zajmować luki międzyatomowe, a częściowo zastępować atomy
osnowy w węzłach sieci. Atomy międzywęzłowe tworzą z atomami osnowy roztwory
międzywęzłowe, które zawsze są granicznymi.
10. Co to są defekty liniowe?
Defekty liniowe, zwane dyslokacjami, mają jeden wymiar znacznie większy w porównaniu z
dwoma pozostałymi (poprzecznymi). Wokół nich następuje zniekształcenie sieci. Początkowo
zostały one wprowadzone na bazie rozważań teoretycznych w celu wytłumaczenia
rozbieżności między teoretyczną i rzeczywistą granicą plastyczności kryształów. Podczas gdy
teoretyczne naprężenie poślizgu (dla idealnych kryształów) wynosi G/30 (G - moduł
ścinania), to rzeczywiste jest ok. 1000 razy mniejsze i wynosi poniżej 1 MPa. Póżniej
wykryto występowanie dyslokacji w kryształach i stwierdzono, że odgrywają one zasadniczą
rolę w procesie odkształcenia plastycznego metali, a także przy ich umocnieniu. Dyslokacje
różnią się orientacją, sposobem ich powstawania i własnościami. Mogą być krawędziowe,
śrubowe lub mieszane, jednostkowe lub cząstkowe, poślizgowe lub osiadłe. Dyslokacje
wprowadzają zaburzenie układu atomów ułatwiające ich przesuwanie się względem siebie
pod wpływem naprężeń, a więc odkształcenie plastyczne. Poza tym są one ośrodkami
nagromadzenia energii odkształcenia, odgrywają rolę w dyfuzji, przemianach fazowych,
korozji i innych procesach.
11. Przedstaw istotę dyslokacji krawędziowych.
Najprostszym modelem dyslokacji krawędziowej jest kryształ, z którego usunięto lub do
którego wstawiono fragment płaszczyzny atomowej tzw.ekstrapłaszczyzny (rys.6.5)(rys.6.5).
W miejscu ekstrapłaszczyzny powstają naprężenia ściskające, a pod nią rozciągające.
Krawędź ekstrapłaszczyzny jest dyslokacją krawędziową. Płaszczyzna prostopadła do
ekstrapłaszczyzny i przechodząca przez jej krawędź a-c stanowi płaszczyznę poślizgu tej
dyslokacji i działają w niej naprężenia styczne. Wzdłuż płaszczyzny poślizgu występuje
niezgodność w układzie atomów, gdyż ekstrapłaszczyzna wprowadza dodatkowy atom, który
nie ma dopowiednika poniżej niej. To znacznie ułatwia ścinanie kryształu wzdłuż płaszczyzny
poślizgu czyli poślizg.
W zależności od usytuowania ekstrapłaszczyzny można umownie rozróżniać dyslokacje
dodatnie (z ekstrapłaszczyzną skierowaną nad płaszczyznę poślizgu) oznaczane symbolem Á
lub ujemne ( z ekstrapłaszczyzną skierowaną pod płaszczyznę poślizgu) oznaczane symbolem
Â. O dyslokacjach takich mówi się, że mają przeciwne znaki (ich pola naprężeń są obrócone o
180°). Jeśli takie dyslokacje znajdują się na jednej płaszczyźnie poślizgu, wówczas się
przyciągają, a po spotkaniu następuje ich anihilacja. Dyslokacje krawędziowe jednakowego
znaku odpychają się.
12. Przedstaw istotę dyslokacji śrubowej.
Modelem dyslokacji śrubowej jest kryształ, w którym nastąpiło ścięcie o jedną odległość
międzyatomową wzdłuż określonej płaszczyzny pod warunkiem, że wszystkie atomy na
części płaszczyzny poślizgu zostaną przesunięte w tym samym kierunku, równolegle do
granicy tego przesunięcia (linia c-d na (rys.6.6)rys.6.6), to linia c-d stanowi dyslokację śrubową. Efektem dyslokacji śrubowej jest charakterystyczne zniekształcenie sieci kryształu
polegające na tym, że płaszczyzny atomowe prostopadłe do linii dyslokacji tworzą
powierzchnię śrubową, przy czym dyslokacja jest jej osią. W zależności od kierunku
skręcenia płaszczyzn atomowych dyslokacje mogą być prawo lub lewoskrętne. Mówi się, że
są to dyslokacje przeciwnych znaków, gdyż jeśli są równoległe przyciągają się, a po spotkaniu
ulegają anihilacji. Dyslokacje tego samego znaku odpychają się. Dyslokacje śrubowe mogą
przemieszczać się przez poślizg po każdej płaszczyźnie, na której znajduje się dyslokacja, ale
nie mogą się wspinać.
13. Na czym polega różnica między dyslokacją krawędziową i śrubową?
Jeśli jako podstawę definicji dyslokacji przyjmiemy orientację tzw.wektora Burgersa b (co do
wielkości równego najbliższej odległości międzyatomowej w kierunku poślizgu) względem
kierunku dyslokacji, to okazuje się, że różnica między dyslokacjami jest głównie ilościowa.
W przypadku dyslokacji krawędziowej kąt między linią dyslokacji i b jest równy 90°, a dla
dyslokacji śrubowej jest równy zeru. Różnice w orientacji b mają jednak swe konsekwencje w
zróżnicowaniu własności dyslokacji, głównie w charakterze pól naprężeń, możliwości ruchu,
oddziaływania z defektami punktowymi i inn. Jeśli kąt ten jest zawarty między 0 i 90° mamy
do czynienia z dyslokacją mieszaną. Dyslokacja taka może być jednakże rozłożona na
składowe krawędziowe i śrubowe.
14. Co to jest wektor Burgersa dyslokacji i jak się go wyznacza?
Wektor Burgersa wskazuje kierunek i wielkość przesunięcia atomów przy powstawaniu lub
ruchu dyslokacji. Wektor Burgersa jednoznacznie charakteryzuje dyslokację. Dla tej samej
dyslokacji, b ma wartość stałą. Kierunek, zwrot i wielkość wektora Burgersa można
wyznaczyć za pomocą tzw. obwodu Burgersa. Sposób wyznaczania wektorów Burgersa
dyslokacji krawędziowej i śrubowej jest pokazany na (rys.6.7)rys.6.7 i (rys.6.8)6.8. Najpierw w pobliżu dyslokacji wybieramy jeden atom jako punkt początkowy obwodu (np.atom A).
Następnie przesuwamy się od tego atomu w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara
od atomu do atomu o taką samą liczbę odległości międzyatomowych, parami we wzajemnie
równoległych, ale przeciwnych kierunkach, zakreślając zamknięty obwód. W przypadku gdy
wewnątrz zakreślonego obwodu znajduje się dyslokacja, to obwód nie zamyka się i odcinek
domykający BA stanowi wektor Burgersa tej dyskolacji. Zwrot wektora Burgersa jest zgodny
z kierunkiem wykreślania obwodu. Z rysunków wynika wyraźnie, że wektor BA jest
prostopadły do dyslokacji na (rys.6.8)rys.6.8 i równoległy na (rys.6.9)rys.6.9. Wektor Burgersa i linia dyslokacji wyznaczają jej płaszczyznę poślizgu. Dla dyslokacji krawędziowej
jest to jedna płaszczyzna, dla śrubowej wiele płaszczyzn równoległych do linii dyslokacji.
15. Co to jest pętla dyslokacyjna?
Pętla dyslokacyjna jest konfiguracją często występującą w kryształach. Są dwa rodzaje pętli:
poślizgowe i osiadłe. Poślizgowe są wówczas, gdy wektor Burgersa leży w płaszczyźnie pętli,
a osiadłe gdy jest do niej prostopadły. Pętle poślizgowe mogą powstawać pod wpływem
naprężeń stycznych. Jeśli poślizg nastąpi w ograniczonym obszarze, to linia oddzielająca
obszar ścięty od nieściętego stanowi pętlę dyslokacyjną poślizgową. Może ona pod wpływem
działających naprężeń stycznych powiększać się aż do wyjścia na powierzchnię kryształu.
Spowoduje to jego ścięcie o b. Pętle osiadłe powstają najczęściej w wyniku kondensacji wakancji, co powoduje zniknięcie części płaszczyzny atomowej (rys.6.9)(rys.6.9).
16. Jakie są sposoby ruchu dyslokacji?
Dyslokacje krawędziowe mogą się przemieszczać przez poślizg, gdy w płaszczyżnie poślizgu
występują naprężenia styczne oraz przez wspinanie, pod wpływem naprężeń normalnych do
ekstrapłaszczyzny (w odpowiednio wysokiej temperaturze). Dlatego wspinanie nazywa się
również dyfuzyjnym ruchem dyslokacji. Dyslokacje śrubowe mogą przemieszczać się tylko
przez poślizg, ale ze względu na możliwość poślizgu poprzecznego ich ruch nie jest
ograniczony do jednej tylko płaszczyzny poślizgu jak ma to miejsce w przypadku dyslokacji
krawędziowych.
17. Omów istotę poślizgu dyslokacji.
Poślizg jest to ruch dyslokacji pod wpływem naprężeń stycznych, wymaga jednak działania w
płaszczyżnie i kierunku poślizgu naprężenia większego od krytycznego (tkr). Dyslokacje
krawędziowe, których b leży w płaszczyźnie najgęściej wypełnionej mogą ślizgać się jedynie
w płaszczyźnie wyznaczonej przez b i linię dyslokacji. Dyslokacje śrubowe mogą ślizgać się
we wszystkich płaszczyznach równoległych do b. Poślizg taki nazywamy poprzecznym.
Ułatwienie odkształcenia poślizgowego przez dyslokacje wynika z zaburzenia układu atomów
w pobliżu ich rdzeni (rys.6.10)(rys.6.10). Jak widać, powyżej płaszczyzny p-p jest jeden atom więcej niż poniżej. Aby nastąpiło ścięcie górnej części kryształu względem dolnej (wzdłuż p-p) nie jest wymagane sztywne przesunięcie obu części kryształu względem siebie. Wystarczy
jeśli przesunie się dyslokacja i wyjdzie na powierzchnię. Jej ruch jest ułatwiony dzięki temu,
że pod ekstrapłaszczyzną (z) kryształ jest "rozrzedzony" i dla ruchu dyslokacji wystarczy
niewielkie przesunięcia atomów w tej strefie (np.przesunięcie atomu a w lewo spowoduje
przemieszczenie z w prawo). Wyjście dyslokacji na powierzchnię spowoduje utworzenie
stopnia o wysokości b (rys.6.10)(rys.6.10d), zwanego linią poślizgu. Linia taka nie jest widoczna gołym okiem, ale wyjście na powierzchnię dużej liczby dyslokacji powoduje
utworzenie pasma poślizgu, które można już z łatwością zauważyć.
Poślizg dyslokacji jest podstawowym mechanizmem odkształcenia plastycznego metali.
18. Na czym polega istota i znaczenie wspinania dyslokacji?
Wspinaniu mogą podlegać tylko dyslokacje krawędziowe, gdyż tylko one mogą oddziaływać
z wakancjami, które są niezbędne do wspinania. Istota wspinania wynika z (rys.6.11)rys.6.11.
Dojście wakancji do krawędzi dyslokacji powoduje, że zostaje ona skrócona lokalnie o jeden
atom (rys.a-jest to wspinanie dodatnie) i na odwrót dołączenie się atomu do ekstrapłaszczyzny
powoduje lokalne wydłużenie ekstrapłaszczyzny, podczas gdy wakancja dyfunduje w głąb
sieci (rys.b- jest to wspinanie ujemne). Oczywiście, aby dyslokacja mogła wspiąć się na całej
swojej długości o jednoatomową odległość. Wymagane jest przyłączenie się (lub odłączenie)
od ekstrapłaszczyzny dużej liczby wakancji. Wspinanie powoduje ruch dyslokacji
krawędziowych w kierunku prostopadłym do płaszczyzny poślizgu. Cechuje się tym, że
proces następuje atom po atomie, a jego szybkość jest kontrolowana przez dyfuzję wakancji,
czyli samodyfuzję. Wspinanie może być intensyfikowane przez naprężenie normalne.
Np.ściśnięcie kryształu w kierunku prostopadłym do ekstrapłaszczyzny spowoduje wspinanie
dodatnie, a rozciągnięcie - ujemne. Dzięki wspinaniu dyslokacje mogą stanowić źródło lub
ujście wakancji i przez to wpływać na ustalenie się równowagowej koncentracji wakancji w
krysztale. Wspinanie powoduje obniżenie energii odkształcenia, prowadzi do skracania,
zaniku lub porządkowania się dyslokacji i jest podstawowym procesem towarzyszącym
zdrowieniu i rekrystalizacji, a także odgrywa rolę w przeróbce plastycznej na gorąco i przy pełzaniu.
19. Na czym polega różnica między poślizgiem i wspinaniem dyslokacji?
Różnica polega na tym, że poślizg następuje pod wpływem naprężeń stycznych (działających
równolegle do b) i może zachodzić również przy niskich temperaturach, a wspinanie w
wyniku działania naprężeń normalnych (równoległych do b i prostopadłych do
ekstrapłaszczyzny) i może zachodzić tylko przy wyższych temperaturach. Poślizg wymaga
jednoczesnego ruchu dużej liczby atomów, wspinanie natomiast następuje atom po atomie
mechanizmem dyfuzyjnym. W przypadku poślizgu wakancje nie odgrywają istotnej roli, a
przy wspinaniu są one decydujące. Przy poślizgu ruch dyslokacji następuje w kierunku
równoległym do b, a przy wspinaniu w kierunku prostopadłym do b i do linii dyslokacji.
20. Jak powstają dyslokacje?
Dyslokacje mogą powstawać w różny sposób:
a. podczas wzrostu kryształu z cieczy lub pary,
b. drogą kondensacji wakancji,
c. w wyniku działania pól naprężeń wewnętrznych,
d. na skutek rozmnażania się dyslokacji (w wyniku naprężeń zewnętrznych),
e. poprzez heterogeniczne zarodkowanie.
21. Jak powstają dyslokacje podczas wzrostu kryształu?
Podczas krystalizacji tworzą się dyslokacje śrubowe, które są przyczyną powstawania tzw.
spirali wzrostu. Mogą także powstawać dyslokacje krawędziowe na skutek zaburzenia
sekwencji płaszczyzn atomowych, związanej z powstawaniem błędów ułożenia.
22. Jak powstają dyslokacje poprzez kondensację wakancji?
Kondensacja wakancji może zachodzić w stanie stałym na skutek przesycenia kryształu
wakancjami. Zostają wówczas stworzone warunki do zarodkowania pętli krawędziowych
(pryzmatycznych) w wyniku zaniku fragmentu najgęściej obsadzonej atomami płaszczyzny.
Pętle takie powstają w dużych ilościach przy szybkim ochłodzeniu kryształu od wysokich
temperatur.
23. Jak powstają dyslokacje na skutek rozmnażania się?
Dyslokacje rozmnażają się na skutek działania tzw.źródeł. Jest to ważny mechanizm, gdyż
zapewnia ciągłe wytwarzanie dyslokacji koniecznych do odkształcenia plastycznego.
Najbardziej znanym jest źródło Franka-Reada. Źródłem może być segment dyslokacji
poślizgowej zakotwiczony na końcach (np.odcinek cd na (rys.6.12)rys.6.12a). Pod wpływem naprężeń stycznych segment ten będzie się stopniowo wyginał przechodząc przez kolejne
stadia (np.2) aż do pozycji 3. Przy tym położeniu wygięta linia dyslokacji styka się w punkcie
m. Ponieważ jednak obie stykające się części mają w tym punkcie orientacje o przeciwnych
znakach, znoszą się i wygięta linia dyslokacji dzieli się na dwie części. Jedna z nich stanowi
zamkniętą pętlę (4), druga zregenerowany segment dyslokacji cd, zdolny do powtórzenia
cyklu (rys.6.12)(rys.6.12b). W ten sposób działając w tej samej płaszczyźnie poślizgu źródło F-R może wytworzyć dużą ilość współśrodkowych pętli dyslokacji, które rozprzestrzeniając
się ku powierzchni kryształu pod wpływem działających naprężeń stycznych, powodują jego
ścinanie. Warunkiem działania źródła F-R jest jednak swobodny ruch pętli ku powierzchni.
Jeśli jedna z pętli zostanie zatrzymana na jakiejkolwiek przeszkodzie, wówczas działa
odpychająco na następne pętle i źródło F-R przestaje działać. Powstaje wtedy przy
przeszkodzie spiętrzenie dyslokacji, które w skrajnym przypadku może przeistoczyć się w
pęknięcie. Przeszkodą dla ruchu dyslokacji może być granica ziarn lub wydzielenie drugiej
fazy, a także inne dyslokacje.
24. Jak powstają dyslokacje przez heterogeniczne zarodkowanie?
Czynnikiem sprzyjającym heterogenicznemu zarodkowaniu dyslokacji jest zawartość w
krysztale obcych atomów, które lokalnie wywołują duże naprężenia. W tym obszarze o
podwyższonej energii powstawanie pętli dyslokacyjnych jest ułatwione. Powstanie jednej
pętli ułatwia z kolei utworzenie się następnych na sąsiednich płaszczyznach poślizgu, dzięki
czemu może powstać całe pasmo poślizgu.
25. Co to są defekty powierzchniowe?
Defekty powierzchniowe są to dwuwymiarowe defekty struktury krystalicznej, takie jak:
granice ziarn, granice międzyfazowe, błędy ułożenia, granice domen antyfazowych.
26. Co to są granice ziarn?
Granice ziarn są to wewnętrzne powierzchnie graniczne oddzielające dwa kryształy o takim
samym składzie chemicznym, różniące się tylko orientacją krystalograficzną. Na skutek
różnicy orientacji stykających się ziarn powstaje strefa atomowego niedopasowania, w której
atomy są przesunięte z idealnych węzłów sieci, w wyniku czego zostaje zakłócona w tym
obszarze periodyczna budowa kryształu i wzrasta energia. Stopień atomowego
niedopasowania zależy od typu granicy i kąta dezorientacji.
27. Co to są granice międzyfazowe?
Granice międzyfazowe są to powierzchnie graniczne oddzielające kryształy różniące się nie
tylko orientacją krystalograficzną i typem sieci krystalicznej ale również najczęściej składem
chemicznym. Granice takie występują w materiałach wielofazowych. Przykładem takich
defektów jest granica między ferrytem i cementytem w perlicie.
28. Co to są błędy ułożenia?
Błędami ułożenia nazywamy zaburzenia w sekwencji ułożenia płaszczyzn najgęstszego
wypełnienia, występujące najczęściej w metalach o sieci A1 i A3. Tak np. w sieci A1, dla
której normalna sekwencja jest ABCABC, mogą występować warstwy o sekwencji ABABA,
typowe dla sieci A3 lub na odwrót. Na granicy błędu ułożenia nie jest zaburzona
tzw.koordynacja I rzędu, tzn.że nadal każdy atom jest otoczony 12 najbliższymi atomami, ale
liczba dalszych sąsiadów ulega zmianie. To daje wkład do podwyższenia energii takiej
granicy. Energia granicy BU jest jednak bardzo mała (zbliżona do energii koherentnej granicy
bliźniaczej) w porównaniu z energią zwykłej granicy ziarn.
29. Jaki jest wpływ energii błędu ułożenia na własności metali?
Każdy metal cechuje się typową dla niego energią błędu ułożenia (EBU). Im większa jest ta
energia, tym mniejsza jest częstotliwość występowania BU w sieci. Energia BU ma duży
wpływ na zachowanie się metalu popdczas odkształcenia plastycznego, na wielkość
zmagazynowanej energii odkształcenia, poligonizację i rekrystalizację. Wpływ ten wiąże się
głównie z zależnością między EBU, a zdolnością dyslokacji do wspinania i poślizgu
poprzecznego. Gdy EBU jest duża (np.w Al), to odkształcenie jest łatwiejsze i mniejsza jest
zmagazynowana energia odkształcenia. W metalach tych łatwiej zachodzi wspinanie
dyslokacji krawędziowych oraz poślizg poprzeczny, a więc i poligonizacja, ale trudniej rekrystalizacja. Niższą EBU mają miedź i jej stopy, a najniższą stale austenityczne. Dlatego w
stopach o małej energii BU częstotliwość ich występowania jest duża.
30. Jakie są rodzaje granic ziarn?
Pod względem budowy granice ziarn można podzielić na granice daszkowe (nachylenia),
oddzielające ziarna mające wspólny kierunek krystalograficzny równoległy do granicy oraz
granice skręcenia, oddzielające ziarna o wspólnym kierunku krystalograficznym
prostopadłym do granicy (rys.6.13)(rys.6.13). Przypadkowe granice mają zwykle składowe daszkowe i skręcenia. Pod względem stopnia dezorientacji, granice dzielimy na granice
małego kąta i dużego kąta. Szczególnym przypadkiem granic daszkowych dużego kąta są
granice bliżniacze. Pod względem stopnia dopasowania granice dzielimy na przypadkowe i
specjalne (koincydentne).
31. Jak są zbudowane granice daszkowe małego kąta?
Granice daszkowe małego kąta mają kąty dezorientacji mniejsze od 20o. Granice takie
interpretuje się na podstawie teorii dyslokacji jako pionowe uszeregowanie jednoimiennych
dyslokacji krawędziowych (rys.6.14)(rys.6.14). Atomowe niedopasowanie jest w tym przypadku kompensowane przez ekstrapłaszczyzny kończące się w granicy, na przemian
usytuowane w jednym lub drugim ziarnie. Im większa jest dezorientacja ziarn, tym mniejsza
jest odległość między dyslokacjami i model ten traci sens fizyczny wówczas, gdy rdzenie
dyslokacji nakładają się. Ma to miejsce przy dezorientacjach większych od 20°. Granice
małego kąta powstają przy poligonizacji i tworzą tzw. podstrukturę.
32. Jakie są poglądy na budowę granic ziarn dużego kąta?
Budowę granicy dużego kąta tłumaczy się na podstawie modelu wysepkowego Motta, wg
którego granica składa się z wysepek dobrego dopasowania sieci rozdzielonych obszarami, w
których ma miejsce złe dopasowanie. Szerokość granicy wynikająca z tego modelu jest równa
2 - 3 średnicom atomowym. Modyfikacji tego modelu dokonali Kronberg i Wilson. Wg nich
ziarna mogą mieć pewne dezorientacje zwane koincydentnymi, przy których można utworzyć
odrębną sieć węzłów koincydentnych wspólną dla obydwóch ziaren (rys.6.15)(rys.6.15). Sieć ta o analogicznej lub niższej symetrii niż sieci rzeczywistej, ma większe parametry komórki
sieciowej. Istotny w tym modelu jest stosunek liczby węzłów należących do sieci
koincydentnej do ogólnej liczby węzłów sieci rzeczywistej, zwany gęstością węzłów
koincydentnych. Odwrotność tego stosunku jest określana stopniem koincydencji i oznaczana
przez S. Parametr ten może przyjmować wartości liczb nieparzystych większych od 1. Im
wyższe jest S tym większy jest stopień niedopasowania ziarn w granicy, a tym samym wyższa
jest jej energia. Granice koincydentne mają energie mniejsze od niekoincydentnych. Granice
ziarn o przypadkowej orientacji, jakie generalnie występują w metalach, mają bardzo złożoną
budowę , ale można je na ogół rozłożyć na składowe daszkowe i skręcenia. Występują wśród
nich także granice specjalne.
33. Co to są i jak są zbudowane granice bliźniacze?
Granice bliźniacze tworzą się przy ściśle określonej dezorientacji, takiej że granica
(płaszczyzna bliźniacza) jest symetrycznie nachylona do określonej płaszczyzny
krystalograficznej w obydwóch ziarnach (rys.6.16)(rys.6.16). Jak widać z rysunku atomy leżące w granicy przynależą jednocześnie do sieci obydwóch ziarn. Taka granica ma
najprostszą budowę i cechuje się niską energią (3 - 10 % energii granic ziarn). Jest nazywana
koherentną granicą bliźniaczą. Większą energię mają niekoherentne granice bliźniacze, w
których płaszczyzna granicy tworzy pewien kąt z płaszczyzną bliźniaczą. Taka granica musi jednak zawierać dyslokacje bliżniakowania, które zwiększają jej energię. Granice koherentne
są płaskie, podczas gdy niekoherentne- wypukłe. Fragment kryształu oddzielony od jego
osnowy granicą bliźniaczą nazywamy bliźniakiem
34. Jakie są rodzaje bliźniaków?
Rozróżniamy bliźniaki wyżarzania (rekrystalizacji) i bliźniaki odkształcenia (mechaniczne).
Bliźniaki wyżarzania występują w metalach o sieci A1 (RSC) o małej energii błędu ułożenia
(np. w miedzi i jej stopach oraz w stalach austenitycznych). Mają one wygląd równoległych
płytek, a granice tych płytek stanowią koherentne granice bliźniacze równoległe do {111}.
Bliźniaki odkształcenia występują w metalach o sieci A2 (RPC), np. w żelazie a lub częściej
w metalach o sieci A3 (HZ) np. w cynku, magnezie, kadmie, ale także w metalach o innych
typach sieci (np. w Sn-b). Mają kształt soczewkowaty, a ich granice są niekoherentnymi
granicami bliźniaczymi. Ze wzrostem odkształcenia zwiększa się ilość i wielkość bliźniaków,
które powodują umocnienie. Stąd uważa się, że metale te odkształcają się mechanizmem
bliźniakowania.
35. Jak są zbudowane granice międzyfazowe?
Granice międzyfazowe dzielimy na koherentne, niekoherentne i półkoherentne. Koherentne
powstają w początkowych stadiach wydzielania nowej fazy (np. przy starzeniu). W dążeniu
do zmniejszenia energii nowo powstałej granicy obie fazy przyjmują względem siebie taką
orientację, aby atomy w granicy należały jednocześnie do obydwóch sieci, przy minimalnym
ich zniekształceniu (rys.6.17)(rys.6.17). Taki stan może jednak istnieć tylko wówczas, gdy wydzielone cząstki są małe i mają płaskie granice. Wówczas energia granicy jest mała, ale w
miarę wzrostu cząstek zwiększa się sprężyste odkształcenie sieci, gdyż nigdy odległości
międzyatomowe w obydwóch fazach nie są idealnie zgodne. Przy pewnym poziomie tych
naprężeń powstają dyslokacje, które zmniejszają naprężenia, ale zwiększają energię granicy i
mamy wówczas do czynienia z granicą częściowo koherentną. Przy dalszym wzroście cząstek
nowej fazy i przyjęciu przez nie kształtu kulistego (sferoidyzacji) sprzężenie między fazami
znika zupełnie i granica staje się niekoherentna. Energia niekoherentnych granic
międzyfazowych jest zbliżona do energii granic ziarn dużego kąta.
36. Jaki jest wpływ energii granic międzyfazowych na kształt wydzieleń nowej fazy?
Wpływ ten jest bardzo istotny, a ściślej mówiąc istotny jest stosunek energii granic
międzyfazowych (gAB) do energii granic ziarn fazy macierzystej (osnowy) (gAA). Jeżeli
stosunek tych energii jest mniejszy od 0,5 (czyli gAB < 0,5 gAA), to faza B ma tendencję
penetrować po granicach ziarn fazy macierzystej A, rozdzielając je cienką błonką. Wpływa to
ujemnie na własności stopu, zwłaszcza wtedy jeśli nowa faza jest krucha lub niskotopliwa.
Ma to miejsce np. w żelazie zawierającym FeS lub w miedzi zanieczyszczonej bizmutem.
Jeśli stosunek gAB/gAA jest większy od 0,5, zwiększa się tendencja do sferoidyzacji wydzieleń i
ich szkodliwe działanie zostaje zredukowane.
37. Na czym polega wzajemne oddziaływanie między defektami sieci?
Wzajemne oddziaływanie między defektami sieci polega w istocie na oddziaływaniu ich pól
naprężeń. Każdy defekt wywołuje bowiem charakterystyczne dla niego pole naprężeń
rozprzestrzeniające się w głąb sieci, dzięki czemu defekty mogą wyczuwać się na odległość.
Istnieje zasada, że jeśli nakładające się pola naprężeń redukują energię odkształcenia, to takie
defekty się przyciągają i po spotkaniu mogą ulec anihilacji (znikają). Jeśli natomiast energia
wzrasta, to defekty się odpychają.
Przykładem na pierwszą ewentualność jest wzajemne oddziaływanie wakancji i atomu w
położeniu międzywęzłowym lub dyslokacji krawędziowej ujemnej i dodatniej albo śrubowej
prawo i lewoskrętnej. Odpychają się defekty identyczne , np. dwie wakancje lub dyslokacje
tego samego znaku, znajdujące się na tej samej płaszczyźnie poślizgu. Wzajemne
oddziaływanie może następować także pomiędzy różnymi defektami. Tak np. wakancje
oddziaływują z dyslokacjami krawędziowymi przez co następuje ich wspinanie, atomy
domieszek międzywęzłowych są przyciągane do dyslokacji krawędziowych w wyniku czego
tworzą się tzw. atmosfery Cottrella, czyli skupiska atomów domieszek, hamujące ruch
dyslokacji. Dyslokacje są blokowane przez granice ziarn, cząstki obcych faz lub inne
dyslokacje.
38. Jakie defekty występują w materiałach polikrystalicznych?
W materiałach polikrystalicznych występują te same defekty co w monokryształach, a oprócz
tego różnego rodzaju defekty powierzchniowe: granice ziarn różnych typów i granice
międzyfazowe. Ogólna powierzchnia granic ziarn zależy od wielkości ziarna. Im większe jest
ziarno, tym mniejsza jest powierzchnia granic ziarn. Zmagazynowana w granicach ziarn
energia jest siłą napędową procesu rozrostu ziarn. W materiałach polikrystalicznych może też
występować t.zw struktura mozaikowa (poligonalna lub podziarnowa). Struktura taka składa
się z bardzo małych obszarów krystalicznych oddzielonych od siebie granicami ziarn małego
kąta (rys.6.18)(rys.6.18). Strukturę ziarnistą można ujawnić za pomocą badań metalograficznych wykorzystując efekt trawienia granic ziarn lub granic poligonów (do
wytawiania tych granic trzeba stosować specjalne odczynniki, trawiące selektywnie nawet
pojedyncze dyslokacje). Można również wykorzystać metodę badania przełomów czyli
fraktografię.
39. Jaki jest wpływ wielkości ziarna na własności materiałów?
Wielkość ziarna ma bardzo istotny wpływ na własności materiałów. Przy niskich
temperaturach są one czynnikiem umacniającym, tzn. że ze zmniejszaniem wielkości ziarna
zwiększają się własności wytrzymałościowe i obniżają plastyczne. Ilościową ilustracją tego
jest zależność Halla - Petcha:
sd = s0 + k d-1/2
gdzie sd - dolna granica plastyczności, so i k - stałe, d - przeciętna wielkość ziarn (podziarn).
Dlatego jest zasadą, że w materiałach konstrukcyjnych pracujących przy temperaturze
pokojowej staramy się wytworzyć możliwie minimalne ziarno. Rola granic ziarn zmienia się
jednakże przy podwyższonych temperaturach.
Ze względu na możliwość wspinania się dyslokacji i pochłaniania dyslokacji przez granice
ziarn ich efektywność umacniająca maleje, a poza tym występuje poślizg po granicach ziarn,
który polega na tym że pod wpływem naprężeń stycznych do granicy, ziarna mogą się ślizgać
sztywno względem siebie bez dostrzegalnych odkształceń wewnątrz ziarn. W związku z tym
granice ziarn osłabiają materiał przy podwyższonej temperaturze (powyżej ok.0,4 Ttop).
Dotyczy to np. łopatek turbin, kotłów energetycznych i tp. Dlatego dąży się do tego aby
materiały takie miały możliwie duże ziarno (np. łopatki turbin wytwarza się w postaci
monokryształów) lub aby na granicach ziarn spowodować wydzielenia trudno
rozpuszczalnych cząstek blokujących poślizg. Ostatnio stosuje się w tym celu kompozyty.
40. Jak anizotropia własności kryształów wpływa na właściwości materiałów
polikrystalicznych?
Anizotropia własności monokryształów może wpływać na właściwości materiałów
polikrystalicznych tylko wtedy, gdy występuje kierunkowe ustawienie się ziarn w
polikrysztale, z wyróżnieniem określonego kierunku krystalograficzego. Wówczas
polikryształ staje się również anizotropowy i zjawisko takie nazywamy teksturą. Jeśli ziarna
są ułożone całkowicie chaotycznie, to poliktyształ ma własności anizotropowe, co jest typowe
dla elementów wywtarzanych metodą metalurgii proszków.
41. Co to jest tekstura?
Teksturą nazywamy kierunkowe ustawienie się ziarn w materiale polikrystalicznym z
wyróżnieniem określonego kierunku krystalograficznego, a w blachach również płaszczyzny.
Oznacza to, że w większości ziarn ten sam kierunek krystalograficzny jest wspólny
(równoległy). Zwykle jednak nie wszystkie ziarna ustawiają się w ten sposób , a poza tym w
części ziarn występują mniejsze lub większe odchylenia od idealnego ustawienia. W związku
z tym mówimy o doskonałości tekstury lub o odchyleniu od tekstury idealnej.
W wielu przypadkach tekstury nakładają się na siebie tzn. że wyróżniony jest nie jeden, a dwa
kierunki krystalograficzne. W tych przypadkach materiały cechują się większą izotropią
własności.
42. Jakie są przyczyny kierunkowego ustawiania się ziarn w materiałach
polikrystalicznych czyli tworzenia tekstur?
Z punktu widzenia przyczyn powstawania możemy wyróżnić trzy rodzaje tekstur:
a. Tekstury odkształcenia wywołane kierunkową przeróbką plastyczną, np.walcowaniem
lub ciągnieniem. Tekstury te są związane z poślizgowym charakterem odkształcenia
plastycznego i obrotem ziarn w wyniku działania naprężeń.
b. Tekstury wyżarzania (rekrystalizacji) powstające w wyniku wyżarzania materiału
poddanego uprzednio silnemu kierunkowemu odkształceniu na zimno. Są one zwykle
związane z występującą wcześniej teksturą odkształcenia.
c. Tekstury wzrostu powstające w procesie krystalizacji, na skutek kierunkowego
odprowadzania ciepła. Tak np. we wlewkach stalowych pod warstwą kryształów
zamrożonych występuje silnie steksturowana stefa kolumnowa, w której ziarna są
ustawione kierunkiem <100> równolegle do kierunku odprowadzania ciepła
(prostopadle do powierzchni).
43. Jakie rodzaje tekstur występują w drutach i blachach?
Rozróżniamy teksturę włóknistą, powstającą w drutach i teksturę płaską w blachach. Pierwsza
polega na ustawieniu się określonego kierunku krystalograficznego równolegle do osi drutu
(rys.6.19)(rys.6.19a), druga na ustawieniu się określonej płaszczyzny krystalograficznej równolegle do płaszczyzny walcowania, a kierunku krystalograficznego do kierunku
walcowania (rys. (rys.6.19)6.19b). Tak np. w drutach z metali o sieci A2, równolegle do kierunku ciągnienia ustawia się kierunek <110>, a w sieci A1 kierunki <111> i <100>.
Natomiast w blachach z metali o sieci A2 powstaje tekstura {100}<011> przedstawiona na
rys.6.19b (zapis ten oznacza, że kierunek <011> jest ustawiony równolegle do kierunku
walcowania, a płaszczyzna {100} równolegle do powierzchni blachy).
44. Jakie są negatywne i pozytywne skutki tekstury?
Negatywne skutki tekstury przejawiają się w procesie głębokiego tłoczenia blach. Na skutek
anizotropii wydłużenia blacha odkształca się nierównomiernie w różnych kierunkach i
powstają tzw."ośle uszy", tzn. wyciągnięte w kierunkach maksymalnego wydłużenia
fragmenty blachy, które trzeba obcinać. Jednocześnie występuje w tych strefach pocienienie
blachy. Pozytywne skutki tekstury występują w przypadku blach transformatorowych lub
magnesów trwałych, ponieważ w kierunku <100> przenikalność magnetyczna jest
maksymalna. Jeśli w większości ziarn lub wszystkich kierunek <100> będzie równoległy do kierunku walcowania, to wówczas koercja i stratność będą małe, a przenikalność
magnetyczna duża. Podobnie w magnesach trwałych staramy się wytworzyć albo
monokryształ z kierunkiem <100> równoległym do osi magnesu, albo niedużą ilość silnie
wydłużonych ziaren mających teksturę z tym kierunkiem.
45. Jakie są sposoby graficznego przedstawiania tekstur?
Najczęściej przedstawia się tekstury za pomocą tzw. figury biegunowej (rys.6.20)(rys.6.20).
Figura biegunowa jest rzutem stereograficznym kierunków normalnych do określonej
płaszczyzny krystalograficznej ziarn (biegunów) na płaszczyznę rzutu równoległą do
powierzchni blachy. Zwykle zaznacza się kierunek walcowania (KW) i kierunek poprzeczny
(KP) oraz podaje się procentowe udziały ziarn odpowiadające danej orientacji.
Na rysunku pokazano rozkład rzutów biegunów płaszczyzn {100} w blasze srebrnej
przewalcowanej z gniotem 91 %. Widoczne są 4 symetrycznie rozmieszczone względem
środka maksima
46. Na czym polega anizotopia własności materiału wywołana przez włóknistość
struktury?
W materiałach poddawanych kierunkowej przeróbce plastycznej może wystąpić anizotropia
własności nie spowodowana teksturą, lecz włóknistością struktury. Ma to miejsce zwłaszcza
w stalach zanieczyszczonych wtrąceniami niemetalicznymi, w szczególności siarczkami.
Wtrącenia takie są plastyczne przy temperaturze przeróbki plastycznej i wyciągają się w
kierunku odkształcenia, w wyniku czego powstaje charakterystyczna struktura włóknista
widoczna na (rys.6.21)rys.6.21. Powoduje to pogorszenie poprzecznych własności zarówno wytrzymałościowych jak i plastycznych i to nie tylko w płaszczyźnie blachy ale i prostopadle
do niej, co jest szczególnie ważne w spawanych blachach okrętowych. Można temu zapobiec
obniżając zawartość siarki lub wprowadzając metale ziem rzadkich, które tworzą kruche
siarczki nie wyciągające się wzdłuż kierunku walcowania. Szczególnie odpowiedzialne
elementy powinny być wykonywane w taki sposób, aby naprężenia ścinające nie były
równoległe do kierunku włókien, gdyż wówczas ich zniszczenie jest utrudnione.
