1. Klasyfikacja defektów 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)

2. Defekty punktowe i ich cechy

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.

3. Defekty liniowe i ich cechy.

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.

4. Defekty powierzchniowe

Defekty powierzchniowe są to dwuwymiarowe defekty struktury krystalicznej, takie jak: granice ziarn, granice międzyfazowe, błędy ułożenia, granice domen antyfazowych.

5. Co to jest równowagowa koncentracja wakancji?

6. Zależność koncentracji wakancji od temperatury.

Wakancja jest defektem powstałym w wyniku nieobsadzenia węzła sieci przez atom. 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. Równowagowa koncentracja wakancji rośnie gwałtownie z temperaturą 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.

7. Zniekształcenie sieci przez atomy substytucyjne

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 . 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 lub mniejsze i wtedy atomy sąsiednie przesuwają się do wewnątrz, 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 znasz atomy międzywęzłowe?

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.

9. Narysuj schemat dyslokacji krawędziowej i śrubowej

10. Co to jest wektor Burgersa dyslokacji?

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.

11. Rodzaje pętli dyslokacyjnych

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.

12. Wspinanie dyslokacji - znaczenie tego procesu

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.

13. Różnica między poślizgiem a wspinaniem

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.

14. Źródło dyslokacji Franka - Reada

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. Pod wpływem naprężeń stycznych segment ten będzie się stopniowo wyginał przechodząc przez kolejne stadia. 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, druga zregenerowany segment dyslokacji, zdolny do powtórzenia cyklu. 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.

15. Jakie znaczenie ma wzajemne oddziaływanie defektów 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.

16. 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.

17. Rodzaje granic ziarn i ich budowa

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. 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).

18. Współczesne 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.

19. Defekty 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. 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.

20. Co to jest podstruktura, a co 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.

21. Wpływ wielkości ziarna na granicę plastyczności

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:
gdzie s_d - dolna granica plastyczności, s_o 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)

22. 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, druga na ustawieniu się określonej płaszczyzny krystalograficznej równolegle do płaszczyzny walcowania, a kierunku krystalograficznego do kierunku walcowania. 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).

23. Anizotropia 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. 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.

Zestaw 2

- 5 -

---