Poruchy krystalové struktury

Transkript

1 Tomáš Doktor K618 - Materiály října 2013 Tomáš Doktor (18MRI1) Poruchy krystalové struktury 15. října / 30

2 Poruchy krystalové struktury nelze vytvořit ideální strukturu krystalu bez poruch vliv na vlastnosti materiálu některé vlastnosti jsou strukturně necitlivé (nezávisí na přítomnosti poruch) teplota tání měrná hmotnost (hustota) elastické vlastnosti (Youngův modul, modul pružnosti ve smyku) délková teplotní roztažnost strukturně citlivé vlastnosti - závislé na druhu a množství poruch mez kluzu mez pevnosti tvrdost elektrická vodivost, magnetické vlastnosti tepelná vodivost Tomáš Doktor (18MRI1) Poruchy krystalové struktury 15. října / 30

3 Druhy poruch Vznik nedokonalostí a poruch tuhnutí taveniny chladnutí technologické zpracování (e.g. tváření) Rozdělení podle geometrického rozsahu bodové vakance intersticie příměsi čárové dislokace plošné vrstevné chyby hranice zrn prostorové vměstky bubliny póry Tomáš Doktor (18MRI1) Poruchy krystalové struktury 15. října / 30

4 Bodová porucha - vakance v krystalové mřížce je jedno místo pro atom neobsazeno okolní atomy jsou vychýleny ze svých poloh Tomáš Doktor (18MRI1) Poruchy krystalové struktury 15. října / 30

5 Bodová porucha - intersticie Atom v intersticiální poloze (vlastní intersticie, jde o atom téhož prvku) jeden z atomů se nachází mimo polohy dané krystalovou mřížkou okolní atomy jsou vychýleny ze svých poloh Tomáš Doktor (18MRI1) Poruchy krystalové struktury 15. října / 30

6 Bodová porucha - příměs v krystalové mřížce se nachází atom cizího prvku v intersticiální poloze na místě atomu původního - substituční atom Tomáš Doktor (18MRI1) Poruchy krystalové struktury 15. října / 30

7 Pohyb bodových poruch přeskoky atomů v rámci sousedních poloh v krystalové mřížce Tomáš Doktor (18MRI1) Poruchy krystalové struktury 15. října / 30

8 Pohyb bodových poruch přeskoky atomů v rámci sousedních poloh v krystalové mřížce Tomáš Doktor (18MRI1) Poruchy krystalové struktury 15. října / 30

9 Pohyb bodových poruch přeskoky atomů v rámci sousedních poloh v krystalové mřížce Tomáš Doktor (18MRI1) Poruchy krystalové struktury 15. října / 30

10 Čárová porucha - dislokace pohyb jedné řady atomů o jeden mřížkový parametr prochází krystalem postupně rozhraní mezi posunutou a neposunutou částí krystalu se nazývá rovina kluzu rozděluje oblast tahových a tlakových napětí hranová šroubová Tomáš Doktor (18MRI1) Poruchy krystalové struktury 15. října / 30

11 Čárová porucha - Burgersův vektor charakter dislokace popisujeme Burgersovým vektorem zvolíme oblast v mřížce a obejdeme ji po všech stranách shodným počtem kroků o délce mřížkového parametru v ideální mřížce dojdeme do stejného bodu je=li přítomna dislokace, je nutno přidat vektor b, Burgersův vektor Tomáš Doktor (18MRI1) Poruchy krystalové struktury 15. října / 30

12 Čárová porucha - hranová dislokace hranová dislokace má Burgersův vektor kolmý na dislokační čáru Burgersova smyčka zůstane v jedné rovině Tomáš Doktor (18MRI1) Poruchy krystalové struktury 15. října / 30

13 Čárová porucha - šroubová dislokace šroubová dislokace má Burgersův vektor rovnoběžný s dislokační čarou Burgersova smyčka není rovinná Reálné dislokace dislokace nejčastěji smíšené (hranová + šroubová) dislokační čára zakřivená Tomáš Doktor (18MRI1) Poruchy krystalové struktury 15. října / 30

14 Pohyb dislokací - kluz Kluz pohyb dislokací dislokační čára se pohne vždy o jeden mřížkový parametr projde-li celým zrnem, vymizí (anihiluje) narazí-li na překážku, materiál zpevní ukotvená dislokace brání dalším dislokacím v pohybu Tomáš Doktor (18MRI1) Poruchy krystalové struktury 15. října / 30

15 Pohyb dislokací - dvojčatění dislokace se pohybují o část mřížkového parametru tvoří zrcadlově symetrické oblasti vzhledem k neposunuté části k dvojčatění dochází za vyšších rychlostí (ráz, výbuch) rovina symetrie se nazývá rovina dvojčatění Tomáš Doktor (18MRI1) Poruchy krystalové struktury 15. října / 30

16 Kluz vs. dvojčatění Poruchy krystalové struktury Tomáš Doktor (18MRI1) Poruchy krystalové struktury 15. října / 30

17 Frank-Readův zdroj dislokací Deformační zpevnění narazí-li dislokace na překážku, zastaví se její pohyb k dalšímu pohybu je zapotřebí větší síly dislokační čára se zakřivuje je-li síla dostatečná pohyb dislokace pokračuje i za překážkou okolo překážky se uzavře dislokační smyčka funguje jako zdroj dalších dislokací mechanismus se nazývá Frank-Readův zdroj dislokací Tomáš Doktor (18MRI1) Poruchy krystalové struktury 15. října / 30

18 Frank-Readův zdroj dislokací Deformační zpevnění narazí-li dislokace na překážku, zastaví se její pohyb k dalšímu pohybu je zapotřebí větší síly dislokační čára se zakřivuje je-li síla dostatečná pohyb dislokace pokračuje i za překážkou okolo překážky se uzavře dislokační smyčka funguje jako zdroj dalších dislokací mechanismus se nazývá Frank-Readův zdroj dislokací Tomáš Doktor (18MRI1) Poruchy krystalové struktury 15. října / 30

19 Frank-Readův zdroj dislokací Deformační zpevnění narazí-li dislokace na překážku, zastaví se její pohyb k dalšímu pohybu je zapotřebí větší síly dislokační čára se zakřivuje je-li síla dostatečná pohyb dislokace pokračuje i za překážkou okolo překážky se uzavře dislokační smyčka funguje jako zdroj dalších dislokací mechanismus se nazývá Frank-Readův zdroj dislokací Tomáš Doktor (18MRI1) Poruchy krystalové struktury 15. října / 30

20 Frank-Readův zdroj dislokací Deformační zpevnění narazí-li dislokace na překážku, zastaví se její pohyb k dalšímu pohybu je zapotřebí větší síly dislokační čára se zakřivuje je-li síla dostatečná pohyb dislokace pokračuje i za překážkou okolo překážky se uzavře dislokační smyčka funguje jako zdroj dalších dislokací mechanismus se nazývá Frank-Readův zdroj dislokací Tomáš Doktor (18MRI1) Poruchy krystalové struktury 15. října / 30

21 Frank-Readův zdroj dislokací Deformační zpevnění narazí-li dislokace na překážku, zastaví se její pohyb k dalšímu pohybu je zapotřebí větší síly dislokační čára se zakřivuje je-li síla dostatečná pohyb dislokace pokračuje i za překážkou okolo překážky se uzavře dislokační smyčka funguje jako zdroj dalších dislokací mechanismus se nazývá Frank-Readův zdroj dislokací Tomáš Doktor (18MRI1) Poruchy krystalové struktury 15. října / 30

22 Plošná porucha - vrstevná chyba v ideálním krystalu se pravidelně střídají atomové roviny může dojít k záměně v jejich pořadí vynechání roviny vložení roviny mimo pořadí Tomáš Doktor (18MRI1) Poruchy krystalové struktury 15. října / 30

23 Plošná porucha - hranice zrn oblasti v krystalové mřížce jsou navzájem natočeny rozhraní mezi nimi tvoří hranice zrn (subzrn) maloúhlové (hranice zrn) velkoúhlové (hranice subzrn) na hranici zrn je narušena soudržnost mřížky při krystalizaci se zde vylučují nečistoty díky nahodilé orientaci zrn má krystal izotropní vlastnosti anizotropie se objevuje v důsledku zpracování (např. ve směru válcování nebo tažení drátu) Tomáš Doktor (18MRI1) Poruchy krystalové struktury 15. října / 30

24 Prostorové poruchy Prostorové poruchy většího rozměru vměstky (inkluze) shluky atomů cizího prvku trhliny - mohou vznikat jakou shluky vakancí bubliny póry Tomáš Doktor (18MRI1) Poruchy krystalové struktury 15. října / 30

25 Deformace spočívá v přemístění atomů do jiných poloh je vyvolaná působením vnější síly odezvou jsou vnitřní síly, které deformaci brání elastická (vratná) lineární - platí Hookův zákon σ = E ɛ, τ = G γ nelineární plastická (trvalá, nevratná) normálová (tah/tlak) smyková Tomáš Doktor (18MRI1) Poruchy krystalové struktury 15. října / 30

26 Deformace - lineární elastická atomy se nevychýlí o více než jeden mřížkový parametr po odstranění působící síly se vrátí do původních poloh Matematický popis normálová deformace ɛ = a a Tomáš Doktor (18MRI1) Poruchy krystalové struktury 15. října / 30

27 Deformace - lineární elastická atomy se nevychýlí o více než jeden mřížkový parametr po odstranění působící síly se vrátí do původních poloh Matematický popis smyková deformace γ = a a Tomáš Doktor (18MRI1) Poruchy krystalové struktury 15. října / 30

28 Deformace - plastická; výrazná mez kluzu R u [MPa] mez úměrnosti R e [MPa] výrazná mez kluzu R m [MPa] mez pevnosti E[GPa] modul pružnosti - konstanta úměrnosti v lineární oblasti Tomáš Doktor (18MRI1) Poruchy krystalové struktury 15. října / 30

29 Deformace - plastická; nevýrazná mez kluzu R u [MPa] mez úměrnosti R p [MPa] mez pružnosti R 0.2 [MPa] smluvní mez kluzu R m [MPa] mez pevnosti E[GPa] modul pružnosti - konstanta úměrnosti v lineární oblasti Tomáš Doktor (18MRI1) Poruchy krystalové struktury 15. října / 30

30 Děkuji za pozornost Reference Callister, Jr., W.D.: Fundamentals of Materials Science and Engineering, Willey & sons, 2001 Machek, V., Sodomka, J.: Nauka o materiálu 1: Struktury kovových materiálů, ČVUT, 2006 Tomáš Doktor (18MRI1) Poruchy krystalové struktury 15. října / 30