SM-4

4. Imperfecţiuni ale structurii cristaline 47

4. Imperfecţiuni ale structurii cristaline

4.1 Tipuri de imperfecţiuni structurale

Starea cristalină descrisă ca un aranjament perfect ordonat şi periodic al atomilor, consideraţi sfere rigide, este specifică cristalului perfect sau ideal.

Materialul cristalin (metalic, ceramic sau polimer) obţinut prin diferite procedee tehnologice (turnare, sinterizare, deformare, tratament termic, etc.) este în general un agregat policristalin, la care cristalele în contact au forme neregulate şi numeroase abateri de la structura cristalină ideală. Aceste abateri se numesc imperfecţiuni sau defecte structurale. Cristalul real, afectat de defecte, este numit cristalit sau grăunte cristalin.

Imperfecţiunile structurale se diferenţiază din mai multe puncte de vedere:1. Din punct de vedere al stabilităţii în timp a deplasării atomilor:- imperfecţiuni dinamice, care provoacă deplasări variabile în timp ale

atomilor. Astfel sunt vibraţiile atomilor faţă de poziţia de echilibru, cu frecvenţe care depind de natura şi intensitatea legăturii interatomice. Amplitudinea acestor vibraţii creşte cu temperatura şi de aceea defectul se numeşte agitaţie termică. Vibraţiile atomilor influenţează direct unele proprietăţi (conductibilitatea termică şi electrică, căldura specifică) sau indirect prin crearea de imperfecţiuni statice;

- imperfecţiuni statice, care produc deplasări stabile în timp ale atomilor şi modificări ale caracteristicilor structurii cristaline (distanţa interatomică, numărul de coordinaţie etc). Aceste imperfecţiuni au o influenţă importantă asupra proprietăţilor fizico-mecanice dependente de microstructură şi vor fi analizate mai jos.

2. Din punct de vedere geometric imperfecţiunile statice pot fi:- punctiforme, cu zero dimensiuni;- liniare sau dislocaţii, cu o dimensiune;- de suprafaţă, cu două dimensiuni. 3. Din punct de vedere al stabilităţii termodinamice: - termodinamic stabile, care produc creşterea entropiei cristalului şi se opun

creşterii energiei libere. Există în condiţii de echilibru şi numărul lor depinde de temperatură. De exemplu, lacunele;

- termodinamic instabile, care măresc energia cristalului. Numărul lor depinde de natura şi mărimea tensiunilor aplicate în procesul de fabricaţie. Astfel sunt dislocaţiile, limitele de grǎunte etc.

48 Studiul materialelor

4. După ordinul de mărime, defectele structurale sunt observabile prin:- microscopie electronică: defectele punctiforme grupate şi dislocaţiile;- microscopie optică: defectele de suprafaţă.Cantitativ, imperfecţiunile structurale reprezintă o mică fracţiune (1 la o mie

de atomi), fiind predominantă dispunerea ordonată a atomilor. Cu toate acestea, toate proprietăţile dependente de microstructură sunt puternic influenţate de aceste imperfecţiuni. Astfel, rezistenţa la tracţiune a unui monocristal este de 100 până la 1000 de ori mai mare decât a unui material policristalin.

În afara acestor imperfecţiuni, cristalul poate prezenta tensiuni interne remanente, care provoacă distorsiuni elastice ale reţelei cristaline. Datorită acestor distorsiuni, apar abateri până la 1% ale parametrilor de reţea. Prezenţa tensiunilor interne afectează puternic unele proprietăţi, precum rezistivitatea electrică şi rezistenţa la coroziune a metalelor. De asemenea tensiunile interne se însumează cu tensiunile din exploatare, favorizând sau micşorând probabilitatea apariţiei deformării plastice şi a ruperii.

4.2 Imperfecţiuni punctiforme

Imperfecţiunile punctiforme au zero dimensiuni, pentru că sunt la scară atomică şi dimensiunile defectului sunt de ordinul de mărime al constantei reticulare.

Defectele punctiforme în metale pot fi simple sau complexe.Imperfecţiunile simple cuprind: lacunele sau vacanţele, atomii interstiţiali şi

atomii de substituţie (fig. 4.1).Lacunele sau vacanţele sunt puncte de reţea, A, neocupate de atomi. Sursele

de lacune sunt regiunile cu o densitate mai mică de atomi, cum sunt suprafeţele libere, limitele de grăunte, dislocaţiile. De exemplu un atom superficial cu o energie mai mare se poate deplasa de pe poziţia de echilibru în exterior. Prin acelaşi mecanism, un atom vecin poate sări pe poziţia lacunei formate. Se produce migrarea lacunei în interiorul cristalului, concomitent cu deplasarea atomilor în sens opus. Astfel, prezenţa

A

B

B’

C

C’

Fig 4.1 Defecte punctiforme simple: A – lacune; B, B’ –atomi interstiţiali; C.C’ – atomi de substituţie


lacunelor favorizează procesul de autodifuziune – deplasarea atomilor proprii în cristal în absenţa unei diferenţe de concentraţie.

Vacanţele sunt defecte termodinamic stabile, aflate într-o concentraţie de echilibru, la o temperatură dată. Concentraţia de echilibru de vacanţe creşte exponenţial cu temperatura:

Nv/N = exp (-∆Gv/kT) (4.1) unde: Nv - numărul de vacanţe, N - numărul de atomi din unitatea de volum; ∆Gv - entalpia liberă de formare a unei vacanţe; k -constanta lui Boltzmann (8,62·10 -5

eV/atomK sau 1,38·10-23 J/atomK); T - temperatura absolută. Considerând că energia de formare a unei vacanţe este ∆Gv = 0,9eV/atom, concentraţia de lacune la temperatura de 1000°C este de ordinul a 10-4, faţă de 10-17 la temperatura ambiantă.

Numărul de atomi din unitatea de volum se poate calcula cu relaţia:N = NA ρ / A (4.2)

unde: numărul lui Avogadro NA= 6,023·1023atomi/mol; ρ - densitatea; A - masa atomică. Rezultă că pentru cupru, la 1000°C (ρ = 8,4g/cm3, A = 63,5g/mol), numărul de echilibru de vacanţe pe unitatea de volum, Nv = 2,2·1025 vacanţe/m3.

Se poate obţine o concentraţie de vacanţe superioară concentraţiei de echilibru pe cale termică prin răcire rapidă pentru a fixa starea de temperatură înaltă, deformare plastică sau iradiere cu particule de energie înaltă.

Atomii interstiţiali sunt atomi străini, B, sau atomi proprii, B¢, în poziţii intermediare în reţea.

Atomii de substituţie, C sau C', sunt atomi străini, care ocupă poziţia unei lacune.

Defectele complexe rezultă din asocierea defectelor simple (figura 4.2):- bivacanţe şi trivacanţe - asocierea a două sau trei vacanţe;- interstiţial disociat D - pereche de atomi interstiţiali;- crowdion E - atomi interstiţiali extinşi în lungul unui şir reticular dens;- clustere F - aglomerări discontinue de atomi interstiţiali sau de substituţie

extinse pe zone restrânse.Defectele punctiforme provoacă deformarea elastică locală a reţelei cristaline

şi modificarea constantei reticulare (după cum indică săgeţile din figura 4.1). Vacanţele şi atomii de substituţie, cu raza mai mică decât raza atomilor metalului de bază, contractă constanta reticulară şi introduc tensiuni interne de întindere. Atomii

E

G KFig. 4.2 Defecte punctiforme complexe: D-interstiţial disociat; E-crowdion; F-cluster

D

E F


interstiţiali şi cei de substituţie, cu raza superioară razei atomului metalului de bază, dilată constanta reticulară şi introduc tensiuni interne de compresiune.

Prezenţa defectelor punctiforme modifică o serie de proprietăţi şi cinetica unor transformări de fază însoţite de difuzie. Astfel, defectele punctiforme constituie obstacole pentru fluxul electronic şi determină creşterea rezistenţei electrice. De asemenea, atomii de impurităţi şi mai ales clusterele sunt obstacole în deplasarea dislocaţiilor, conducând la durificarea soluţiei solide şi scăderea plasticităţii. Prezenţa lacunelor facilitează procesele de difuzie şi accelerează transformările de fază cu difuzie. Difuzia controlează în mare măsură comportamentul materialelor metalice la temperaturi ridicate, în condiţii de fluaj sau la tratamente termice.

În cristalele ionice, menţinerea neutralităţii electrice a cristalului impune existenţa unor perechi de defecte de semn opus. Se disting (fig. 4.3):

- defectul Schottky, compus dintr-o vacanţă anionică şi alta cationică;- defectul Frenkel, alcătuit dintr-o vacanţă şi ionul propriu dislocat interstiţial. În polimerii organici, apar în

plus o serie de defecte punctiforme în structura lanţului molecular:

- defecte de morfologie a lanţului, cum este defectul Reneker (fig.

4.4a), care constă din modificarea modului de asociere a două unităţi structurale, urmată de configuraţia iniţială a lanţului. Se produce o treaptă în lanţul molecular.

- defecte de structură sau de compoziţie chimică a lanţului . În figura 4.4b se prezintă o abatere de la structura lanţului, când apare o unitate sindiotactică într-un lanţ izotactic.

Aceste defecte influenţează flexibilitatea lanţului molecular la plierea în structura cristalină, deformare elastică, vibraţii termice şi mecanice.

defect

a. b.

Fig. 4.4 Defecte în structura polimerilor: a. Reneker; b. defect de structură a lanţului la un polimer izotactic

defect

a).

b).

Na+ Cl─

Fig. 4.3 Defecte punctiforme în cristale ionice: a. Frenkel; b. Shottky

b.a.


4.3. Imperfecţiuni liniare - dislocaţii

4.3.1 Tipuri de dislocaţii

Dislocaţiile sunt imperfecţiuni monodimensionale, la care una dintre dimensiuni este mult mai mare decât constanta reticulară.

Dislocaţiile sunt şiruri reticulare cu defect de coordinaţie, care determină deformarea elastică a reţelei cristaline pe distanţe mari faţă de linia dislocaţiei.

Cel mai simplu mecanism de generare a dislocaţiilor este alunecarea asincronă (incompletă) a unei părţi din cristal. Se consideră un cristal, secţionat cu un semiplan ideal de tăiere ABCD, de grosime infinit mică (fig. 4.5a), numit plan de alunecare. Direcţia AB, care limitează intern semiplanul de alunecare, poartă denumirea de linia dislocaţiei sau dislocaţie. Dacă se exercită un efort paralel cu planul ABCD, o parte a cristalului alunecă pe distanţe finite. Direcţia, mărimea şi sensul deplasării se caracterizează cu un vector , paralel cu planul de alunecare, numit vectorul Bűrgers.


În funcţie de poziţia vectorului faţă de linia dislocaţiei AB, există două tipuri de dislocaţii simple:

- marginală sau pană, de tip Taylor-Orowan;- elicoidală sau şurub, de tip Bűrgers;Dislocaţia marginală se caracteri-

zează prin ^ AB (fig. 4.5b). Partea de deasupra planului de alunecare se deplasează cu porţiunea haşurată (C®C', D®D'), ceea ce produce în această zonă o comprimare a planelor reticulare. Apare semiplanul reticular suplimentar sau extraplanul (ABEF), cu

aspect de pană, perpendicular pe planul de alunecare şi limitat de linia dislocaţiei AB. În figura 4.6 se prezintă aranjamentul atomic într-o secţiune perpendiculară pe

dislocaţia AB, care evidenţiază extraplanul AF. Se observă că linia dislocaţiei AB este un şir reticular cu un număr de coordinaţie mai redus (este înconjurată de 5 atomi), care separă zona alunecată de zona rămasă fixă. Prin convenţie se consideră dilocaţia pozitivă, dacă extraplanul este situat deasupra planului de alunecare şi se notează ^, respectiv negativă, dacă extraplanul este sub planul de alunecare, simbolizată T.

a. b.

Fig. 4.5 Generarea dislocaţiei marginale prin alunecare: a. cristalul secţionat cu planul ideal de tǎiere (ABCD), AB - linia dislocaţiei; b. dislocaţia marginalǎ

A

C

D

B

A

C

D

B C´

D´

b

extraplan

F

E

plan de alunecare

extraplan F

A

Fig. 4.6 Dislocaţia marginală pozitivă într-un cristal cu structură cubică


Dislocaţia elicoidalǎ se caracterizează prin || AB (fig. 4.7). Se produce o forfecare a cristalului, cu o deplasare relativǎ pe porţiunea haşurată. Planele reticulare se intersectează şi apare o suprafaţă, care înfăşoară elicoidal linia dislocaţiei AB, asemenea flancului unui şurub. Prin convenţie, dislocaţia se consideră de dreapta, dacă se parcurge în sens orar şi se simbolizează , respectiv de stânga, dacă suprafaţa se parcurge în sens antiorar. În acest caz, se simbolizează .

O dislocaţie se evidenţiază în reţeaua cristalină cu ajutorul circuitului Bűrgers, trasat într-o secţiune perpendiculară pe linia dislocaţiei (fig. 4.8). Acesta este un patrulater MNPQR construit în lungul şirurilor reticulare, având laturile opuse cu acelaşi număr de distanţe interatomice. O reţea fără dislocaţii permite închiderea circuitului. Dacă în interiorul lui există cel puţin o dislocaţie, apare un defect de închidere MR, egal cu modulul vectorului Bürgers. Mărimea MR este întotdeauna un multiplu al constantei reticulare.

În majoritatea cazurilor, dislocaţiile sunt complexe, rezultate prin asocierea de dislocaţii simple.

Dislocaţia mixtă este caracterizată prin linia dislocaţiei AB curbă (fig. 4.9a), aşa încât diferitele segmente ale liniei AB au o anumită poziţie faţă de vectorul . În fiecare punct al dislocaţiei, vectorul Bűrgers este constant şi poate fi descompus într-o componentă marginală Taylor (T), normală la linia AB şi o componentă elicoidală

a. b.Fig. 4.7 Dislocaţia elicoidală a. generarea dislocaţiei prin alunecare; b. dispunerea atomilor în jurul axei AB

A

C

D

B

b

C´

D´A

B

M R N

P Q

b

N M

Q P

M

b

Q

N

P

a. b. c.Fig. 4.8 Circuitul Bürgers în: a. reţea cristalină fără dislocaţii; b. reţea cu dislocaţie

marginală; c. reţea cu dislocaţie elicoidală


Bürgers (B), tangentă la linia AB. Caracterul dislocaţiei se modifică în lungul liniei dislocaţiei AB. Astfel, în A este de tip elicoidal, apoi mixt, iar în B de tip marginal.

Formarea dislocaţiilor mixte se datorează faptului că o linie de dislocaţie simplă nu se opreşte în interiorul cristalului. Dislocaţia se extinde până la întâlnirea suprafaţei libere sau a unui obstacol ca: alte dislocaţii, limita de grăunte etc. Dislocaţia mixtă rezultă prin înlănţuirea succesivă a dislocaţiilor simple marginale şi elicoidale, până la atingerea suprafeţei cristalului sau închiderea unei bucle de dislocaţii.

În figura 4.9b se prezintă o dislocaţie mixtă plană cu forma de buclă închisă, care limitează regiunea în care s-a produs alunecarea. La modul general, dislocaţia mixtă poate avea o formă spaţială complexă.

În cristalul nedeformat, dislocaţiile formează o reţea spaţială - reţeaua Frank, în ochiurile căreia reţeaua cristalină este lipsită de dislocaţii.

4.3.2 Originea dislocaţiilor

Dislocaţiile apar în procesul solidificării prin:- condensarea lacunelor existente în lichid; - creşterea preferenţială a cristalelor după treapta dislocaţiei elicoidale,

incidentă la suprafaţa de creştere; - formarea de plane reticulare incomplete; - alunecări cauzate de tensiunile de contact cu: alţi grăunţi în creştere,

incluziunile nemetalice, pereţii vasului de turnare etc. Dislocaţiile pot apare, de asemenea, sub acţiunea tensiunilor provocate de

procesul deformării plastice, transformările de fază cu variaţii de volum, alierea sau răcirea rapidă.

Cantitatea de dislocaţii se apreciază prin densitatea de dislocaţii r, definită ca raport între lungimea L a dislocaţiilor din volumul V:

ρ = L / V [m-2] (4.3)Cea mai redusă densitate de dislocaţii corespunde stării de echilibru. În

metalele recoapte, ρ =109 ÷ 1010 m-2 şi creşte la 1016m-2 în metalele puternic deformate la rece. Exprimat mai sugestiv, în oţelul recopt există 1km de dislocaţii într-un cm3, iar după deformarea la rece se ajunge la 107km/cm3.

A a.D

B

D´b

a. b.Fig. 4.9 a. Dislocaţie mixtă; b. Buclă plană de dislocaţii

b

T

+B

-B

-T

+T

B


Densitatea de dislocaţii se poate stabili prin studiul figurilor de coroziune la microscopul optic, prin microscopie electronică sau difractometrie cu radiaţii X.

4.3.3 Proprietăţile dislocaţiilor

Dislocaţiile sunt cele mai importante imperfecţiuni structurale, cu rol determinant asupra proprietăţilor dependente de structură. Astfel, pe baza noţiunilor de teoria dislocaţiilor, pot fi explicate comportarea la deformare plastică şi ruperea metalelor. De aceea, cunoşterea proprietăţilor dislocaţiilor are o deosebită importanţă teoretică şi practică.

Principalele proprietăţi ale dislocaţiilor sunt:1. Dislocaţiile provoacă defor-

marea elastică a reţelei cristaline pe distanţe mari faţă de linia dislocaţiei (până la 20 distanţe interatomice). În jurul fiecărei dislocaţii, se crează un câmp de tensiuni de formă cilindrică cu raza 3-4 diametre atomice. La o dislocaţie marginală pozitivă (fig. 4.10), deasupra planului de alunecare, tensiunile sunt de compresiune, iar sub planul de alunecare, sunt de întindere. Energia E de deformare elasticǎ acumulată de dislocaţie se calculează cu relaţia:

E = Gb2L (4.4)unde: G-modulul de elasticitate transversal; b-modulul vectorului Bürgers; L-lungimea dislocaţiei. Apariţia unei dislocaţii creşte energia cristalului, ceea ce face ca dislocaţia să fie un defect termodinamic instabil.

2. Dislocaţiile se deplasează în cristal sub acţiunea unui efort tangenţial paralel cu vectorul Bürgers şi de mărime supracritică t > tcr.

Deplasarea dislocaţiilor este favorizată de tendinţa spontană de reducere a energiei cristalului, prin refacerea simetriei reţelei cristaline.

Dislocaţiile marginale se pot deplasa prin alunecare (slip) şi căţărare (climb).

Deplasarea prin alunecare (fig. 4.11) are loc într-un plan ce conţine linia dislocaţiei şi vectorul Bürgers . Deplasarea este perpendiculară pe dislocaţie şi paralelă cu direcţia vectorului . Deplasarea se face progresiv, până la eliminarea dislocaţiei sub formă de treaptă la suprafaţa cristalului, ceea ce modifică ireversibil forma cristalulului sau până la blocarea dislocaţiei de către obstacole.

Pentru majoritatea materialelor deplasarea dislocaţiilor pe planele de alunecare constituie mecanismul de bază al deformării plastice la rece (temperatura de deformare inferioară temperaturii de recristalizare). Este un mecanism care necesită eforturi mici şi nu depinde de temperatură. În absenţa dislocaţiilor, eforturile de forfecare, pentru a deplasa o parte a cristalului în raport cu alta, sunt mari, deoarece

σ

Fig. 4.10 Câmpul de tensiuni din jurul unei dislocaţii


este necesară ruperea simultană a tuturor legăturilor dintre toţi atomii adiacenţi planului de alunecare. Deplasarea prin cristal a unei dislocaţii marginale necesită eforturi mult mai reduse, deoarece implică numai ruperea legăturilor dintre atomii a două şiruri reticulare adiacente planului de alunecare. Mai sugestiv, deplasarea pe o suprafaţă plană a unui covor de dimensiuni mari se face mai uşor prin formarea unei cute la unul din capete şi deplasarea acesteia în lungul covorului.

În cristalele metalice (izotrope) planele preferenţiale de alunecare a dislocaţiilor marginale sunt cele de densitate atomică maximă: {111} pentru CFC, {110} pentru CVC şi {0001} pentru HC. În cazul cristalelor ionice, mişcarea dislocaţiilor este favorizată de planele care nu pun în contact ioni de acelaşi semn. De aceea, la MgO, care are structura CFC, planele de alunecare sunt {110}.

Î

n cristalele cu legătură covalentă, dislocaţiile se deplasează cu dificultate datorită caracterului orientat al legăturii. Din această cauză, ceramicele ionice şi covalente au un număr mic de dislocaţii mobile. Spre deosebire de metale, ceramicele au o deformabilitate foarte redusă, având comportament fragil. Polimerii semicristalini sunt de asemenea în marea lor majoritate fragili, datorită faptului că mobilitatea dislocaţiilor este limitată de prezenţa lanţurilor moleculare şi a masei amorfe.

Deplasarea prin "căţărare" a dislocaţiei marginale este perpendiculară pe planul de alunecare (fig. 4.12). Pentru poziţia A'B' este necesară migrarea prin difuzie a şirului reticular AB, iar pentru poziţia A"B" aportul prin difuzie a unui nou şir reticular. Deoarece difuzia este activată de creşterea temperaturii, acest mecanism este

→ τ→ τ

Plan de alunecare

← τa. ← τ b.

→ τ

← τc. d.

Fig. 4.11 Evoluţia deplasării dislocaţiei marginale pozitive prin alunecare


prezent numai la temperaturi ridicate. El contribuie, de exemplu, la deformarea plastică la cald sau în condiţii de fluaj a materialelor metalice.

Dislocaţia elicoidală se deplasează numai prin alunecare, perpendicular pe dislocaţie şi vectorul Bürgers, asemenea intersecţiei lamelor unui foarfece la închidere sau deschidere (fig. 4.7). Deoarece linia dislocaţiei este paralelă cu vectorul Bürgers, planul de alunecare nu este definit univoc şi de aceea orice plan de densitate atomică maximă, care trece prin linia dislocaţiei, este un plan de alunecare posibil. Ca urmare, la întâlnirea unui obstacol, dislocaţia elicoidală îşi poate schimba planul de alunecare prin alunecare deviată (cross slip).

3. Dislocaţiile interacţionează între ele, în scopul reducerii energiei cristalului.

Dislocaţiile din acelaşi plan de alunecare, de acelaşi tip şi semn se resping, pentru că la apropiere măresc distorsiunea reţelei, iar cele de semne contrare se atrag compensându-se (fig.4.13a). Interacţiunea dislocaţiilor de semne contrare, din plane de alunecare paralele apropiate este aceeaşi şi este însoţită de apariţia de lacune sau atomi interstiţiali (fig. 4.13b).

Dislocaţiile marginale de acelaşi semn, din plane de alunecare paralele distanţate, se atrag şi se dispun una sub alta într-o configuraţie de minimă energie, numită perete de dislocaţii (fig. 4.13c).

Interacţiunea dislocaţiilor din plane de alunecare, care se intersectează, poate produce o frângere reciprocă a dislocaţiilor. Apar trepte în dislocaţii, care nu influenţează deplasarea dislocaţiilor marginale, dar frânează deplasarea dislocaţiilor elicoidale. În figura 4.13d se prezintǎ generarea treaptei la o dislocaţie marginalǎ.

4. Dislocaţiile interacţionează cu defectele punctiforme. În interacţiunea lor, dislocaţiile sunt surse de lacune şi de atomi interstiţiali

(fig. 4.13b). Atomii dizolvaţi interstiţial segregă în zonele dilatate din vecinătatea liniei dislocaţiilor. Se formează "atmosfere Cottrell" de impurităţi, care micşorează mobilitatea dislocaţiilor şi cresc rezistenţa la deformare plastică.

ABB

A’B’ A”B”

Fig. 4.12 Deplasarea dislocaţiei marginale prin căţărare din poziţia AB în A’B’ sau A”B”


Această interacţiune explică fenomenul punctului de curgere la oţelurile cu conţinut redus de carbon, durificarea soluţiilor solide, îmbătrânirea mecanică etc.

5. Dislocaţiile se multiplică prin surse Frank-Read.O sursă Frank-Read (fig. 4.14) este o dislocaţie cu capetele blocate în punctele

A şi B ale planului de alunecare (stadiul 1). Sub acţiunea unei tensiuni perpendiculare pe axa dislocaţiei, superioare unei valori critice, se produce curbarea dislocaţiei (stadiul 2) pânǎ la forma unei semicerc (stadiul 3). Dislocaţia se propagă în continuare sub forma a două spirale, care în final se ating şi formează o buclă închisă (stadiile 4, 5, 6). Bucla se separă de dislocaţia mamă (stadiul 7) şi un nou sector al

dislocaţiei este adus în poziţia iniţială. Sursa continuă să emită noi dislocaţii. Bucla exterioară creşte până atinge suprafaţa cristalului, unde crează o treaptă sau până întâlneşte un obstacol.

Tensiunea critică, care activează o sursă Frank-Read, este dată de relaţia:

tcr = Gb / L (4.5)

Tensiunea critică scade pentru dislocaţiile lungi, deplasate pe distanţe scurte.

Mecanismul de formare de noi dislocaţii prin surse Frank-Read explică capacitatea mare de deformare plastică a unor metale. Astfel, eliminarea în

procesul de deformare plastică a dislocaţiilor la suprafaţa piesei este compensată de crearea de noi dislocaţii prin sursele Frank Read. Pe de altă parte, formarea de noi

d.c.

D=b/θ

← →

→

←

←

→ lacune

→←

atomi interstiţiali

a.

b.

Fig. 4.13 Interacţiunea dislocaţiilor marginale; a. din acelaşi plan de alunecare; b., c. din plane paralele; d. din plane perpendiculare

Fig. 4.14 Sursa Frank-Read


dislocaţii, care se blochează intern la obstacole, determină creşterea rezistenţei la deformare plastică.

6. În planele de alunecare dislocaţiile se grupează la obstacole.Dislocaţiile se acumulează la limita de grăunte, particulele de fază secundară,

dislocaţiile imobile, incluziunile nemetalice, unde generează un câmp de tensiuni. Numărul de dislocaţii, care se pot bloca la un obstacol, depinde de tipul barierei, natura materialului şi de temperatură. Acumularea dislocaţiilor la obstacole determină creşterea rezisţentei la deformare plastică şi micşorarea plasticităţii, stare cunoscută sub numele de ecruisare.

Depăşirea unui obstacol se poate face prin schimbarea planului de alunecare sau prin ocolire. În figura 4.15a se prezintă ocolirea precipitatelor de fază secundară prin curbarea dislocaţiei şi formarea unor bucle de dislocaţii în jurul precipitatelor. Acest proces stă la baza durificării prin precipitare.

Limita de grăunte (fig. 4.15b) este un obstacol, care nu poate fi ocolit şi determină blocarea dislocaţiilor. Generarea unor tensiuni suficient de mari poate conduce la formarea de microfisuri şi la iniţierea ruperii.

4.3.4 Influenţa dislocaţiilor asupra rezistenţei la deformare plastică

Din figura 4.16 reiese că, rezistenţa la deformare plastică (σ) a materialelor cristaline variază în funcţie de densitatea de dislocaţii (ρ) după o curbă cu minim.

În cristalul ideal ρ = 0, iar rezistenţa teoretică este maximă (punct 1). Rezistenţa minimă σo (punct 2) corespunde stării de echilibru a materialului

policristalin, caracterizată prin densitatea de dislocaţii ρo (109÷1010m-2 pentru oţelul recopt). Curba σ(ρ) va caracteriza la ρ < ρ0 monocristalele, iar ρ ≥ ρ0 – materialele policristaline. În monocristale, creşterea densităţii de dislocaţii le micşorează rezistenţa, spre deosebire de materialele policristaline, la care creşterea densităţii de dislocaţii este însoţită de durificare.

În consecinţă, rezistenţa la deformare poate creşte pe două căi: I - crearea de monocristale cu o densitate redusă de dislocaţii (zona 3),

pentru a obţine o rezistenţă apropiată de cea teoretică.

a. b.Fig. 4.15 a. Ocolirea precipitatelor; b. Blocarea dislocaţiilor la limita de grăunte

b

Sursa Frank-Read

limita de grăunte

microfisura


În prezent se pot obţine monocristale filiforme numite whiskers (engleză), barbes sau poils (franceză), cu diametrul 0,5÷2μm şi lungimi 2÷10mm.

În tabelul 4.1 se exemplifică rezistenţa de rupere la tracţiune a unor whiskers de metale şi materiale ceramice, comparativ cu ale metalelor policristaline tehnic pure.

Datorită dimensiunilor foarte mici, monocristalele filiforme se folosesc în materialele compozite, alcătuite dintr-o matrice tenace din Cu, Al, Ag, aliaj Ni-Cr, polimeri, şi elemente de armare din whiskers din W, Mo, Al2O3, B, C, B4C, SiC, fibre de sticlă, etc. Rezistenţa materialelor compozite este de 5-10 ori mai mare decât a matricei. Rezistenţa se măreşte cu creşterea diferenţei dintre modulele de elasticitate ale matricei şi fibrelor, creşterea forţelor de coeziune matrice-fibre, micşorarea diametrului fibrelor şi a distanţei dintre ele.

Tabel 4.1 Rezistenţa la tracţiune a unor whiskers şi metale policristaline (N/mm2)

Fe Cu Zn Al2O3 C (grafit) B4C SiCwhiskers 13000 3000 2250 20000 21000 7000 11000materialpolicristalin

300 250 180 - - - -

II - creşterea densităţii de dislocaţii în materialelele policristaline (zona 4, din figura 4.16). Pe acest principiu se bazează durificarea materialelor metalice prin ecruisare, aliere, călirea oţelului etc.

Relaţia dintre limita de curgere σc, ca indicator global al rezistenţei la deformare plastică şi densitatea de dislocaţii ρ este:

σc = σo + α G b ρ-1/2 (4.6)

unde σo - limita de curgere la starea de echilibru, recoaptă; α - coeficient de durificare, care depinde de tipul de reţea cristalină şi compoziţia chimică a aliajului. Densitatea de dislocaţii se limitează la 1016÷1017m-2. La valori mai mari, se produce fragilizarea materialului.

4.4 Imperfecţiuni de suprafaţă

Defectele de suprafaţă sunt imperfecţiuni bidimensionale, două dintre dimensiuni fiind mult mari decât constanta reticulară. Analiza structurii unui material policristalin (fig. 4.17) arată că este alcătuit din grăunţi cu orientare arbitrară a reţelei cristaline, iar fiecare grăunte poate fi subdivizat în subgrăunţi formaţi din microblocuri în mozaic.

ρ→ρo

σmax

σo

1

3

24

↑σ

Fig. 4.16 Influenţa densităţii de dislocaţii ρ asupra rezistenţei la

deformare σ


Defectele de suprafaţǎ sunt: limita de grăunte, limita de subgrăunte, structura de blocuri in mozaic, limita de maclă, defectele de împachetare etc.

1. Limita de grăunte (limita la unghiuri mari) este suprafaţa de separaţie a doi grăunţi cristalini vecini, al căror unghi θ, de dezorientare a reţelelor cristaline, este de ordinul zecilor de grade (fig. 4.18).

Limita de grǎunte este o zonă de tranziţie, cu grosimea de două până la trei distanţe interatomice, care, prin orientarea progresivă a atomilor, asigură racordul reţelelor cristaline vecine. Grosimea limitei de grăunte şi gradul de distorsiune a reţelei depind de orientarea relativă a grăunţilor şi de prezenţa impurităţilor.

Limita de grăunte este o zona de energie internă înaltă, datorită concentrării defectelor structurale (lacune, atomi străini, dislocaţii). În consecinţă, limitele de grăunte au următoarele proprietăţi:

- reactivitatea chimică ridicată, care se manifestă prin dizolvarea energică a limitelor în medii corozive (coroziune intercristalină) şi prin atacul metalografic preferenţial la limita de

grăunte;- tendinţa spontană a grăunţilor de a-şi reduce energia superficială,

asigurată de raportul minim dintre suprafaţa şi volumul grăunţilor. De aceea, la mǎrirea temperaturii, grăunţii cristalini cresc, tinzând spre forma sferică de rază maximă;

- sunt sediul de iniţiere a transformărilor de fază în stare solidă şi de precipitare a noii faze .

Limita dintre grăunţii de aceeaşi natură este întotdeauna incoerentă; nici un plan cristalografic dintr-o parte a acesteia nu-şi păstrează coerenţa de cealaltă parte, astfel încât dislocaţiile nu o pot traversa sau ocoli. Limita de grăunte este un obstacol la care se acumulează dislocaţii. De aceea, cantitatea de limită de grăunte, evaluată prin mărimea de grăunte, influenţează puternic proprietăţile fizico-mecanice dependente de microstructură. Astfel, granulaţia fină (cantitate mare de limită de grăunte) asigură valori ridicate ale rezistenţei mecanice la rece, rezistenţei la deformare plastică, plasticităţii, tenacităţii, rezistenţei la oboseală, forţei coercitive,

Fig. 4.18 Secţiune cristalografică printr-o limită de grăunte.

limita de grăunte

grăunte

subgrăunte

sublimita

blocuri în mozaic

grăuntecristalin

Fig. 4.17 Microstructura materialului policristalin


rezistivităţii electrice etc. Granulaţia grosieră favorizează rezistenţa mecanică la temperaturi ridicate, permeabilitatea magnetică, prelucrabilitatea prin aşchiere, călibilitatea etc.

Dependenţa rezistenţei la deformare plastică la rece σc în funcţie de diametrul mediu de grăunte d se exprimă prin relaţia lui Petch:

σc = σo + k/d-1/2 (4.7)unde σo , k - constante de material.

Limitele de grăunte, care separă grăunţi cristalini de natură diferită, se numesc suprafeţe interfazice. Aceste suprafeţe pot fi coerente sau incoerente.

Suprafeţele interfazice coerente se caracterizează printr-o continuitate între reţelele cristaline ale celor două faze. Se realizează între faze care au plane reticulare înrudite din punct de vedere al distribuţiei atomilor şi al distanţei dintre atomi. De exemplu, planul {111} de la reţeaua CFC şi planul {0001} la reţeaua HC.

Suprafeţele interfazice incoerente nu asigură continuitatea de reţea şi de aceea au o mobilitate inferioară celor coerente. Aceasta determină o viteză mai rapidă de creştere a precipitatelor coerente comparativ cu cele incoerente. În funcţie de coerenţa suprafeţelor interfazice, precipitatele determină mecanisme diferite de durificare, fie datorită rezistenţei întâmpinate la traversarea de către dislocaţii a precipitatelor coerente, fie în cazul celor incoerente, datorită câmpului de tensiuni creat prin ocolirea precipitatelor sau la blocarea mişcării dislocaţiilor.

2. Limita de subgrăunte (sublimita sau limita la unghiuri mici) este o suprafaţă de separaţie între porţiuni ale aceluiaşi grăunte cristalin, dezorientate cu un unghi θ de ordinul gradelor (fig. 4.19). Se observă că majoritatea planelor cristalografice îşi păstrează coerenţa, dislocaţiile putând trece pe aceste plane dintr-o parte în alta a sublimitei.

Sublimita este rezultatul interacţiunii dislocaţiilor de acelaşi tip şi semn din plane de alunecare paralele. În figura 4.13c s-a prezentat un perete de dislocaţii marginale. Între unghiul de dezorientare θ şi distanţa D dintre dislocaţii există relaţia:

θ ≈ b / D (4.8 )

Fig. 4.19 Secţiune cristalografică printr-o sublimită.


unde b este modulul vectorului Bürgers al dislocaţiilor ce formează sublimita.Sublimitele apar în procesul cristalizării sau prin redistribuirea dislocaţiilor la

recristalizarea materialului ecruisat.3. Structura de blocuri în mozaic. S-a constatat că şi în absenţa sublimitelor,

un grăunte cristalin este alcătuit din microblocuri elementare de ordinul de mărime 0,01-1m, care sunt dezorientate reciproc de la câteva secunde la 10-20 minute. Structura de blocuri în mozaic este dată de reţeaua Frank de dislocaţii din cristal. În interiorul unui bloc nu există dislocaţii. Creşterea densităţii de dislocaţii este însoţită de finisarea blocurilor în mozaic şi mărirea rezistenţei la deformare plastică.

4. Limita de maclă este o interfaţă plană, coerentă, în cadrul unui grăunte cristalin monofazic, care separă macla de restul cristalului.

Macla (fig. 4.20) este o porţiune din cristal deplasată, astfel încât reprezintă imaginea simetrică a zonei rămase fixe, în raport cu un plan de maclare. La microscop, macla apare ca o bandă cu limitele de maclă paralele. La un atac metalografic mai intens, macla este de culoare contrast faţă de restul grăuntelui.

Maclele sunt de origine mecanică sau de creştere. Maclele mecanice apar în procesul deformării plastice. Sunt specifice pentru structurile cristaline cu puţine sisteme de alunecare, cum este structura hexagonal compactă (Zn, Co, Mg etc.) sau tetragonală cu volum centrat (Snb). Maclele de creştere sau de recoacere apar în procesul de recristalizare. Macle de recoacere apar la structura cubică cu feţe centrate (Cu, oţel austenitic etc), în urma recristalizării materialului ecruisat.

5. Defectul de împachetare reprezintă suprafaţa de separaţie între porţiuni ale aceluiaşi grăunte cristalin, în care s-a produs o modificare a succesiunii normale a planelor de densitate atomică maximă. Apar în procesul cristalizării cu viteze mari sau la deformarea plastică a structurilor CFC sau HC. În structura CFC, succesiunea normală a planelor este ABCABC... (fig. 3.5b), iar în zona perturbată poate fi ca la structura hexagonalǎ compactǎ ABAB...(fig. 3.6b). În structura HC, apare în zona perturbată succesiunea planelor de la structura CFC. Prezenţa acestor defecte reduce mobilitatea dislocaţiilor şi măreşte rezistenţa la deformare plastică.

plane demaclare

macla

plane de maclare

atom deplasat atom rămas fix

Fig. 4.20 Limita de maclă: a. deplasarea atomilor ; b. aspect microstructural

a. b.

limita de maclă


4.5 Rezumat şi concluzii

Cristalul real se abate de la modelul ideal pentru că prezintă o serie de defecte la scară atomică, care influenţează în mod decisiv proprietăţile dependente de microstructură. Din punct de vedere geometric, defectele structurale pot fi punctiforme, liniare şi de suprafaţă.

Defectele punctiforme, simple (vacanţe, atomi interstiţiali sau de substituţie) sau complexe (interstiţial disociat, crowdion sau cluster), deformează elastic local reţeaua cristalină, introducând tensiuni interne, cu efect de creştere a rezistenţei electrice şi a rezistenţei la deformare.

Dislocaţiile sunt defectele liniare, care produc deformarea elastică a reţelei spaţiale pe distanţe mari faţă de linia dislocaţiei. Dislocaţiile simple pot fi marginale, dacă vectorul Bürgers este perpendicular pe linia dislocaţiei sau elicoidale, dacă vectorul Bürgers este paralel cu aceasta. Prezenţa dislocaţiilor în reţeaua cristalină se poate evidenţia cu ajutorul circuitului Bürgers. Dislocaţiile complexe rezultă prin asocierea de dislocaţii simple. Dislocaţia mixtă se caracterizează printr-o linie a dislocaţiei curbă, ca urmare a înlănţuirii succesive de dislocaţii marginale şi elicoidale. În cristalul în stare de echilibru, dislocaţiile alcătuiesc reţeaua spaţială Frank, în ochiurile căreia nu există dislocaţii.

Dislocaţiile determină în reţeaua cristalină un câmp cilindric de tensiuni elastice, care măreşte energia cristalului. Interacţiunea dislocaţiilor între ele, cât şi cu celelate defecte structurale este o interacţiune între câmpurile de tensiuni ale acestora, care tinde să reducă energia cristalului. Deplasarea dislocaţiilor prin alunecare stă la baza procesului de deformare plastică la rece a materialelor metalice. Blocarea dislocaţiilor la obstacole determină starea de ecruisare, caracterizată prin creşterea rezistenţei la deformare. Ceramicele şi polimerii organici tridimensionali au dislocaţii cu mobilitate redusă, ceea ce le conferă un comportament fragil.

Rezistenţa la deformare plastică a unui monocristal scade cu creşterea densităţii de dislocaţii. La materialele policristaline durificarea este asigurată de o densitate mărită de dislocaţii, realizată prin călire, aliere sau deformare plastică la rece.

Limitele de grăunte reprezintă suprafeţe de separaţie între grăunţi cristalini, a căror dezorientare a reţelei cristaline este de ordinul zecilor de grade. Limita între grăunţi cristalini de aceeaşi natură, este incoerentă. Suprafeţele interfazice, care separă grăunţi cristalini de natură diferită, pot fi incoerente sau coerente. Suprafeţele coerente pot fi traversate de dislocaţii. Limitele de grăunte incoerente constitue blocaje în planele de alunecare a dislocaţiilor, cu efect de durificare. Sublimitele sunt pereţi de dislocaţii, care determină dezorientarea unor volume din grăuntele cristalin sub unghiri mici, de ordinul gradelor. Sublimitele prezintă o coerenţă parţială a planelor de alunecare, fiind traversate de dislocaţii. Structura de blocuri în mozaic reprezintă microvolume dezorientate sub unghiuri sub 20 secunde, determinate de reţeaua Frank de dislocaţii. Limita de macla este o interfaţă plană coerentă, care separă macla de


restul grăuntelui. Controlul strict al naturii şi cantităţii defectelor structurale permite obţinerea de materiale cu un complex dorit de proprietăţi fizico-mecanice.

Date post:	19-Jan-2016
Category:	Documents
Upload:	ionut-andrei
View:	10 times
Download:	0 times

SM-4

Documents