Vlastnosti a zkoušení materiálů. Přednáška č.2 Poruchy krystalické mřížky

Vlastnosti a zkoušení materiálů Přednáška č.2 – Poruchy krystalické mřížky

Opakování z minula Materiál Degradační procesy Vnitřní stavba – atomy, vazby Krystalické, amorfní, semikrystalické Vlastnosti materiálů – chemické, fyzikální, mechanické, technologické, další Dělení technických materiálů Krystalová struktura „Geometrie“ krystalu - Milerovy indexy

2

Přednáška č. 2 – Poruchy krystalické mřížky

Monokrystal, polykrystal, anizotropie Monokrystal - Pokud se elementární buňka opakuje translačně v celém objemu. Polykrystal - složen z drobných monokrystalků (tzv. zrn ),

oddělených od sebe hranicemi zrn .

3

Přednáška č. 9 - Koroze a opotřebení

Poruchy krystalové stavby kovů Rozdělení: - bodové - čárové - plošné - objemové

4


Poruchy krystalové stavby kovů Bodové poruchy – VAKANCE Vakance – jsou uzly mřížky, které nejsou obsazeny atomy. Jejich množství roste s teplotou. Vakance deformují své bezprostřední okolí v mřížce, čímž ji zpevňují a ovlivňují hodnoty fyzikálních vlastností daného materiálu.

5


Poruchy krystalové stavby kovů - Bodové Bodové poruchy – INTERSTICIÁLNÍ ATOMY Intersticiální atomy (interstice) – jsou atomy, které jsou umístěny v meziuzlových prostorách mřížky. V kovových mřížkách mohou být tímto způsobem umístěny pouze atomy pěti nekovů (uhlík, dusík, kyslík, bor a vodík). Interstice rovněž deformují své bezprostřední okolí v mřížce, čímž ji zpevňují daleko větší měrou než vakance.

6


Poruchy krystalové stavby kovů - Bodové Bodové poruchy – SUBSTITUČNÍ ATOMY Substituční atomy – jsou atomy, které v mřížce nahrazují původní atom. Okolní atomy jsou ovlivněny napěťovým polem.

7


Poruchy krystalové stavby kovů - Čárové

Čárové poruchy – DISLOKACE Dislokace – jsou čárovými poruchami krystalické mřížky, které vznikají přesunutím určitého množství atomů při skluzovém pohybu vzhledem k vrstvě sousední. Dislokace je hranice mezi uskutečněným a neuskutečněným skluzem v krystalu.

Rozdělení dislokací: - Hranové - Šroubové - Smíšené 8


Poruchy krystalové stavby kovů - Čárové Hranová dislokace

EF – dislokace ABCD – kluzná rovina Burgersův vektor je kolmý k dislokační čáře

Každou dislokaci definuje tzv. Burgersův vektor (b), který vyjadřuje velikost a orientaci relativního posunutí dvou částí krystalu. 9


Pojem napětí

Působí-li na těleso vnější síla, vzniká v tělese mechanické napětí.

Normálové napětí F σ= S0

σ (Pa, MPa) – tahové či tlakové

kde S0 je počáteční plocha průřezu.

Smykové (tečné) napětí τ (Pa, MPa)

Ft = F ⋅ cos α

τ=

S0 S= sin α

Ft F ⋅ cos α = = σ ⋅ sin α ⋅ cos α S S 0 / sin α

Max. τ bude při α = 450 10

Přednáška č. 3 – Pevnost krystalických materiálů

Poruchy krystalové stavby kovů - Čárové Přítomnost dislokace v krystalu vyvolává plastickou deformaci mřížky a způsobuje napěťové pole okolo dislokace. Významnou vlastností dislokace je schopnost pohybovat se krystalovou mřížkou. Dislokace se mohou pohybovat především skluzem ve skluzové rovině, překročí-li skluzové napětí v rovině a směru skluzu určitou mezní hodnotu.

11


Poruchy krystalové stavby kovů – Čárové

Šroubová dislokace - vznikne tak, že rozříznutý krystal podrobíme střihové deformaci EF – dislokace ABCD – kluzná rovina

Burgersův vektor je rovnoběžný s dislokační čárou

12

Přednáška č. 2

Poruchy krystalové stavby kovů – Čárové Smíšená dislokace Burgersův vektor svírá s dislokační čárou úhel v rozmezí od 0 do π.

Na obr. je znázorněna smíšená dislokace jako nejobecnější druh dislokace, obsahující v sobě krajní dislokaci hranovou a šroubovou .

13



Pohyb dislokací Dislokace se pohybují vlivem napěťově deformačního pole v krystalu buď: - skluzem - šplháním

Skluzový pohyb dislokace je pohyb, při kterém se nepřenáší hmota a probíhá v rovině, v níž leží Burgersův vektor i dislokační čára.

Pří šplhání se dislokace pohybuje mimo skluzovou rovinu

Skluzová rovina je obyčejně rovina s největší hustotou atomů 14



15



Pohyb dislokací:

Hranová dislokace

Šroubová dislokace 16



Pohyb dislokace krystalickou mřížkou v kluzné rovině způsobuje smykové napětí.

Dislokace se při svém pohybu krystalovou mřížku setkávají s překážkami, jejichž překonání vyžaduje zvýšení skluzového napětí. Překážkami jsou jiné dislokace, atomy příměsí, precipitáty a částice jiných fází. Na překážkách se dislokace uchytí. K dalšímu pohybu a jejich překonání je potřeba zvýšit napětí. Kolem překážky vytvoří dislokace dislokační smyčku.

Interakce dislokací s precipitáty způsobuje zpevnění kovů.

17



Pohyb dislokací:

1 – dislokace, 2 – precipitáty, 3 – dislokační smyčka 18


Poruchy krystalové stavby kovů - Čárové Frank – Readův (F-R) zdroj dislokací

19


Poruchy krystalové stavby kovů - Čárové Rychlost pohybu dislokací v je definovaná jako změna střední volné dráhy za jednotku času

•

v=

ε ρ dm ⋅ b •

kde ε je rychlost deformace a ρ dm je hustota mobilních dislokací. Hustota dislokací ρ d je definovaná jako součet délek všech dislokačních čar v jednotce objemu a má rozměr m-2.

20


Poruchy krystalové stavby kovů - Plošné Plošné dislokace se dělí na: - vrstevná chyba - vnitřní rozhraní - hranice zrn - volný povrch

21


Poruchy krystalové stavby kovů - Plošné Volný povrch

Na atom, nacházející se uvnitř pevné látky působí všechny okolní atomy stejnou silou, takže výslednice sil, které na něj působí bude nulová. Jinak tomu je na povrchu krystalu, tam je výslednice sil od okolních atomů nenulová a působí směrem dovnitř krystalu Povrch krystalu má oproti vnitřku krystalu navíc tzv. povrchovou energii a proto jej lze pokládat za zvláštní druh poruchy.

22


Poruchy krystalové stavby kovů - Plošné Vrstevná chyba je porušení pravidelnosti sledu krystalografických rovin. Většinou vzniká rozštěpením dislokace ve dvě neúplné dislokace

23


Poruchy krystalové stavby kovů - Plošné Hranice zrn Hranice mezi zrny jsou plošné poruchy krystalické mřížky, které kov intenzivně zpevňují.

24


Poruchy krystalové stavby kovů - Plošné Vnitřní rozhraní je plocha nebo tenká oblast, ve které se vyrovnává diskontinuita krystalografické orientace uvnitř a nebo mezi zrny. Maloúhlová hranice je vnitřní rozhraní oddělující úseky mřížky s dezorientací do 10° až 12°. Velkoúhlová hranice je desorientace krystalografické orientace mezi dvěma částmi krystalu větší než 12°.

25


Poruchy krystalové stavby kovů - Objemové Mezi objemové poruchy patří: - trhliny - dutiny - póry - jiné nehomogenity struktury - částice jiné fáze - krejzy Krejzy jsou diskovité útvary, ve kterých došlo k protažení polymerních řetězců.

26


Poruchy krystalové stavby kovů - Difúze Difúze v krystalických látkách je přemísťování hmoty (atomy, ionty, molekuly, ale i vakance) na mnohem větší vzdálenosti než je parametr krystalové mřížky. Intenzita difúze je závislá na teplotě – s rostoucí teplotou stoupá K difúzi dochází v každém skupenství – v tuhé fázi je však jediným způsobem přenosu hmoty. Způsoby difúze:

Intersticiální difúze Substituční difúze Vakanční mechanismus difúze Povrchová difúze Difúze podél hranic zrn

Difúzní procesy ve slitinách kovů ovlivňují výrazným způsobem většinu fázových přeměn v kovech.

27


Poruchy krystalové stavby kovů - Difúze 1, 2 - vzorky slitin λ - dělící rovina C 1A , C B1 - koncentrace složek A a B ve slitině 1 C A2 , C B2- koncentrace složek A a B ve slitině 2

28


Další zdroje informací 1)

2)

3)

4)

Silbernagel, A.: Nauka o materiálu I, skripta FS VŠB – TU Ostrava, 2000, 150 s. Strnadel, B.: Řešené příklady a technické úlohy z materiálového inženýrství, VŠB – TU Ostrava, 1998, 334 s. Strnadel, B.: Nauka o materiálu, Konstrukční materiály a jejich degradační procesy, skripta VŠB – TU Ostrava, 1993, 187 s. Callister, W. D.: Materials Science and Engineering: An Introduction, 2007, 722p.

5)

http://www.ped.muni.cz/wphy/fyzvla/index.htm

6)

http://cs.wikipedia.org/wiki/Hlavní_strana

29


Vlastnosti a zkoušení materiálů. Přednáška č.2 Poruchy krystalické mřížky

Recommend Documents