Bevezetés s az anyagtudományba nyba VIII. előadás 2010. március 25. A diszlokáci ciók k mozgása 1/21 Diszlokációk és képlékeny deformáció Köbös és hexagonális fémek képlékeny deformáció képlékeny nyírás vagy csúszás ahol egymás melletti atomsíkok csúsznak el diszlokációk mentén. Nyíró feszültség Nyíró feszültség Nyíró feszültség Csúszósík Él diszlokáció A csúszás egysége Ha a diszlokáció nem mozog, akkor deformáció sem történik! VIII/2
A diszlokáci ciók k mozgása 2/2 A diszlokáció a csúszósík mentén a diszlokációs vonalra merőleges csúszási irányban mozog. A csúszási irány megegyezik a Burgers vektor irányával. Él diszlokáció Csavar diszlokáció feszültség diszlokációs vonal feszültség diszlokációs vonal VIII/3 Alkotói A csúsz szási si rendszer 1/21 Csúszósík - a csúszást legkönnyebben lehetővé tevő, a legnagyobb síkbeli atomsűrűséget mutató kristálytani síkok Csúszási irány - a mozgás iránya - legnagyobb lineáris atomsűrűségű kristálytani irányok Egy példa (lapcentrált köbös rács, FCC) [ 10 1] vagy [ 101] [ 01 1] vagy [ 01 1] ( 111) sík további 3db hasonló sík [ 1 10] vagy [ 110] 3db A csúszás a szoros illeszkedést mutató {111} síkok <110> kristálytani irányai mentén következik be. 1 10 VIII/4 irány
A csúsz szási si rendszer 2/2 Egy csúszósík és csúszási irány csúszási rendszert alkot, melyből N csúszósík x Ncsúszási irány A főbb kristályrendszerek jellemzői Lapcentrált köbös (FCC) db van. Csúszási Fémek Csúszósík Csúszási irány rendszer [db] Tércentrált köbös (BCC) képlékeny Hexagonális (HCP) rideg VIII/5 Feszülts ltség és s a disd iszlokáció mozgása A kristályok csúszása az effektív nyírófeszültség, τ R következménye. Az alkalmazott húzófeszültség: σ = F/A A csúszás irány F F Effektív nyírófeszültség: τ R =F s /A s csúszás irány a csúszósík normálisa, n s τ R F S τ R A S σ és τ R kapcsolata csúszás irány τ R =F S /A S Fcos λ F λ F S n S A/cos φ φ A S A τ R = σcos λcos φ VIII/6
λ és φ jelentése λ: a csúszási irány és az alkalmazott húzófeszültség által bezárt szög φ: a csúszósík normálisa és az alkalmazott húzófeszültség által bezárt szög A P a húzófeszültség iránya: csúszási irány: pl. BC BD AB AC B O D σ C a csúszósík normálisának iránya: Általános esetben λ+φ 90º, mert a húzófeszültség, a csúszósík normálisa és a csúszási irány nem esnek egy síkba! λ: φ: ( BC,BD) = ( OP,BD) = 54. 45 7 90 45 VIII/7 OP A kristály orientációja megkönnyítheti, de meg is nehezítheti a diszlokációk mozgását. σ Az orientáci ció szerepe τ (max) = σ R ( cosλ cosφ) max σ σ τ R = 0 λ=90 φ =tetsz. τ R = σ/2 λ=45 φ =45 τ R = 0 φ=90 λ=tetsz. τ R maximális ha λ = φ = 45º VIII/8
Kritikus effektív v nyírófesz feszültség, τ CRSS Azt mutatja meg, hogy minimálisan mekkora nyírófeszültség szügséges a csúszás megindulásához. τ CRSS anyagi jellemző, mely a folyáserősséggel a következő kapcsolatban áll: τ σ cosφ cosλ CRSS = y ( ) max jellemzően 10-4 -10-2 GPa A diszlokáció mozgásának feltétele: optimális orientáció esetén: σ y =2τ CRSS τ R >τ CRSS VIII/9 Csúsz szás s egykriste gykristályban Erőhatás Csúszósík Zn egykristály VIII/10
Csúsz szás s polp olikristályos anyagban Csószósíkok és irányok (λ, φ) szemcséről szemcsére változnak. τ R szemcsefüggő is lesz. Az a szemcse csúszik meg először, melyre nézve τ R maximális. σ A polikristályos anyagok erősebbek egykristályos társaiknál. (Az optimálisan orientált szemcsék ugyanis mindaddig nem tudnak megcsúszni, míg a feszültség elegendően nagy nem lesz ahhoz, hogy hatására a szomszéd szemcsék, kevésbe optimálisan orientált kristályai is meg nem tudnak csúszni.) 300 µm Polikristályos réz minta VIII/11 Rácsdeformáció él l disd iszlokáció közelében A rács a képlékeny deformáció energiájának kb. 5%-át őrzi meg. diszlokáció Összenyomás Nyújtás feszültség mezők A rácsdeformációt okozó feszültségnek van nyíró komponense is! (Csavardiszlokációknál a rácstorzulás csak nyírási deformáció jellegű.) VIII/12
A disd iszlokációk k kölcsk lcsönhatása Ö Ö Taszítás Ny Ny Ö Vonzás Ny A diszlokáció megsemmisülése Ny Ö Tökéletes kristály Diszlokációk keletkezhetnek másik diszlokáció (osztódás), szemcsehatár, hibahelyek, karcolások stb. révén. VIII/13 Keményed nyedési mechanizmusok mikroszkópikus Az anyag képlékeny deformációra való hajlama attól függ, hogy a diszlokációk mennyire képesek mozogni. + A keménység, a folyáserősség és a szakítószilárdság azzal kapcsolatosak, hogy mennyire könnyen deformálható az anyag képlékenyen. A diszlokációk mobilitásának csökkentése mechanikailag keményebb és erősebb anyagot eredményez. fenomenologikus Minden keményedési folyamat alapja a diszlokációk mozgásának korlátozása, illetve blokkolása. VIII/14
Keményed nyedési mechanizmusok 1: A szemcseméret csökkent kkentése A szemcsehatárok a csúszó sík megtörése révén gátolják a csúszást. A gátlás erőssége" annál nagyobb, minél nagyobb szögű az illeszkedés. (ám ha α kicsi hatástalan ha α > α kr feltorlódás) Kisebb szemcseméret több gátló határfelület. Hall-Petch egyenlet: 1/ 2 σ y = σ o + k y d pl. hülési sebesség, vagy képlékeny deformáció révén változtatható (a kisebb szemcseméret általában erősebb, szívósabb anyagot eredményez) d: átlagos szemcseméret; σ o és k y anyagi állandók VIII/15 Keményed nyedési mechanizmusok 2: Szilárd oldat A szennyező atomok torzítják a rácsot és feszültséget okoznak. A feszültség gátolja a diszlokáció mozgását. A nagy tisztaságú fémek puhábbak, mint ötvözeteik. Kisebb szubsztitúciós szennyező A Nagyobb szubsztitúciós szennyező C B D A szennyeződés keltette lokális feszültség az A és B pontokban gátolja a diszlokáció jobbra mozgását. A szennyeződés keltette lokális feszültség a C és D pontokban gátolja a diszlokáció jobbra mozgását. VIII/16
Keményed nyedési mechanizmusok 3: Ötvözés s 1/31 A rendszer igyekszik minimalizálni a deformáció okozta energia többletet a kisebb szennyező atomok a csúszósík fölé diffundálnak (szegregálnak) Húzófeszültséget jelent VIII/17 Keményed nyedési mechanizmusok 3: Ötvözés s 2/32 A rendszer igyekszik minimalizálni a deformáció okozta energia többletet a nagyobb szennyező atomok a csúszósíkban gyűlnek fel (szegregálnak) Összenyomást jelent A szegregáció nehezíti a diszlokációk mozgását. VIII/18
Keményed nyedési mechanizmusok 3: Ötvözés 3/3 A Cu-Ni ötvözetek szakítószilárdsága és folyáserőssége nő a Ni mennyiségének növelésekor. Szakítószilárdság (MPa) 400 300 200 0 10 20 30 40 50 m/m % Ni, c Folyáserősség (MPa) 180 120 60 0 10 20 30 40 50 m/m % Ni, c Tapasztalati összefüggés: 1/ 2 σ y ~c A σ y és TS növekedése a duktilitás rovására következik be, mely a Ni tartalom növekedésével csökken. VIII/19 Keményed nyedési mechanizmusok 4: Deformáci ciós s keményed nyedés Alacsony hőmérsékletű deformáció. T<T újrakristályosodás =0.4 x T op hidegalakítás (általában szobahőmérsékleten) A hidegalakítási műveletek általában a keresztmetszetet változtatják. Kovácsolás Ao die blank Húzás Ao die die Ad erő erő % CW Ad húzó erő = A o A A o erő d Ao x 100 Hengerlés Ao Sajtolás ram container billet container roll roll Ad die holder extrusion die VIII/20 Ad
diszlokáció sűrűség, ρ d = A hidegalakítás Gondosan növesztett egykristály kb. 10 3 mm -2 Alakváltozáskor a sűrűség nő 10 9-10 10 mm -2 A hőkezelés csökkenti a diszlokáció sűrűséget 10 5-10 6 mm -2 diszlokációk összhossza térfogat A szakítászilárdság nő ρ d növelésekor: σ σ y1 σ y0 nagy keményedés kis keményedés ε VIII/21 A hidegalakítás s hatása A százalékos hidegalakítás (%CW) növelésével A folyáserősség (σ y ) nő. A szakítószilárdság (TS) nő. Duktilitás (%EL vagy %AR) csökken. Feszültség [MPa] Alacsony széntartalmú acél Deformáció VIII/22
A megváltozott tulajdonságok visszaáll llítása Hőkezelés (annealing), mely csökkenti TS-t és növeli %EL-t Három szakaszát különböztetjük meg. Szakítószilárdság (MPa) 100 200 300 400 500 600 700 600 60 500 400 300 Hőkezelési hőmérséklet (ºC) szakítószilárdság Megújulás duktilitás Újrakristályosodás 50 40 30 20 duktilitás (%EL) Szemcsedurvulás 1 órán át hőkezelt bronz ötvözet VIII/23 Megújul julás s (recovery) A diszlokációk annihilációja csökkenti sűrűségüket. Diffúzión alapul. A. példa Diszlokáció 1 atomok diffundálnak a torzult rácsba Diszlokáció 2 A diszlokációk tökéletes atomsíkot hozva létre megszünnek. B. példa 3. Az új csúszósíkon a diszlokáció már mozoghat 2. a szürke atomok diffuziójával a diszlokáció felemelkedhet 1. A diszlokáció blokkolt; nem tud jobbra mozogni 4. Egy ellentétes diszlokációval találkozva kioltják egymást Blokkoló diszlokáció τ R VIII/24
Újrakristályosodás A belső energia minimalizálása új szemcséket eredményez, melyek -- kicsik, -- alacsony diszlokáció sűrűségűek, és -- fokozatosan felemésztik a deformált szemcséket. 0.6 mm 0.6 mm 33% hidegalakított 580 C-on 3 s Nukleáció 4 bronz s múlva. múltán. 8 s múlva. VIII/25 Újrakristályosodásisi hőmérséklet, T R Az a hőmérséklet, melyen a teljes újrakristályosodás épp 1 órát vesz igénybe. 1. T R 0.3-0.6 T op ([T R ]=K) 2. A diffúzió időt igényel T R = f(t) rövidebb hőkezelés magasabb T R 3. Nagyobb mértékű hidegalakítás alacsonyabb T R gyorsabb újrakristályosodás 4. Tiszta fémek T R -e alacsonyabb, mint az ötvözeteké, mert az ötvözetek szemcsehatárain a szennyező elem szegregálódik és ezzel nehezíti a diszlokációk mozgását. VIII/26
Szemcsedurvulás 1/4 Hosszabb idők alatt a nagyobb szemcsék felfalják a kisebbeket (a szemcsehatár az atomi migrációval ellentétes irányba vándorol). Miért? A szemcsehatárok összmérete (és ezzel együtt a rendszer teljes energiája) csökken. A folyamatot tehát az hajtja, hogy a felületi szabadenergia minimális legyen. G i 2 = 4πr γ, és így µ = i i dg dn i i n i = 3 4ri π = 3Ω 2Ωγ r i Oswald-féle feldurvulás VIII/27 Szemcsedurvulás 2/4 Szemcsék Cu(111) felületen VIII/28
Szemcsedurvulás 3/4 0.6 mm 0.6 mm 8 s múlva, 580ºC 15 perc múlva, 580ºC Tapasztalati összefüggés: szemcseméret t-kor. kitevő ~ 2 d n d n o = Kt anyagi minőségtől és hőmérséklettől függő állandó eltelt idő VIII/29 Szemcsedurvulás 4/4 VIII/30
º T R = újrakristályosodási hőmérséklet T R A finomszemcsés fémek mechanikai tulajdonságai jobbak, mint a durva szemcsézettségűeké. Egy durva szemcsés anyag tulajdonságai képlékeny alakítás + hőkezelés révén javíthatóak. º VIII/31 Mechanikai szakadás (failure ailure) Módjai, fajtái Törés (fracture) Kifáradás (fatigue) Kúszás, hidegfolyás (creep) Törés: az anyag két vagy több darabra történő szakadása, mely sztatikus (időben állandó, vagy lassan változó) feszültség hatására, az anyag op.-hoz viszonyítva alacsony hőmérsékleten következik be (egy tengelyű, húzó) Két lépésből áll: a repedések keletkezése és terjedése Lehet képlékeny és rideg (valamelyest relatív fogalmak) Képlékeny törés: jelentős képlékeny alakváltozással jár; sok energia abszorbeálódik; stabil törés fajta (a repedés terjedése lassú, s általában igényli a feszültség növekedését) Rideg törés: csekély képlékeny alakváltozás; kevés energia abszorbciójával jár; instabil törés fajta (a repedés terjedése szinte pillanatszerű, s nem igényli a feszültség növekedését) VIII/32
Képlékeny kontra rideg törést Csoportosítás: A töret viselkedése: Nagyon képlékeny Mérsékelten képlékeny Rideg duktilitás (%AR vagy %EL) ~100% közepes kicsi A képlékeny törést általában előnyben részesítjük, mert 1) a maradandó alakváltozás fokozatos figyelmeztet a szakadásra és lehetőséget biztosít a megelőzésre 2) több deformációs energiát igényel (szívósabb anyagokra jellemző) VIII/33 Képlékeny kontra rideg törést Tipikus mérsékelten képlékeny, ún. cup-and-cone töret rideg töret VIII/34
Egy életből l vett példap Képlékeny törés: -- egy darab -- nagy deformáció Rideg törés: -- sok darab -- kis deformáció tudománya a fraktográfia VIII/35 Mérsékelten képlk plékeny törést A törés folyamata, lépései: befűződés σ repedés nukleáció repedés növekedés nyírás a széleken törés 50 50 mm nukleációs centrumként szolgáló részecskék 100 mm VIII/36
Intergranuláris (szemcsék közötti) Rideg törés t s 1/21 304 rozsdamentes acél (fém) Intragranuláris (szemcsén keresztül) 316 rozsdamentes acél (fém) 4 mm from "Metals Handbook", 9th ed, Fig. 633, p. 650. Copyright 1985, ASM International, Materials Park, OH. (Micrograph by J.R. Keiser and A.R. Olsen, Oak Ridge National Lab.) from "Metals Handbook", 9th ed, Fig. 650, p. 357. Copyright 1985, ASM International, Materials Park, OH. (Micrograph by D.R. Diercks, Argonne National Lab.) 160 mm Polypropilén (műanyag) Al oxid (kerámia) 1 mm from R.W. Hertzberg, "Defor-mation and Fracture Mechanics of Engineering Materials", (4th ed.) Fig. 7.35(d), p. 303, John Wiley and Sons, Inc., 1996. from "Failure Analysis of Brittle Materials", p. 78. Copyright 1990, The American Ceramic Society, Westerville, OH. (Micrograph by R.M. Gruver and H. Kirchner.) 3 mm VIII/37 Rideg törés s 2/2 Sok esetben megállapítható a töret centruma VIII/38