2. VNITŘNÍ STAVBA MATERIÁLŮ 2.1 Krystalová mřížka Atomy - Bohrův model (kladně nabité jádro + elektronový obal) Energetické stavy elektronů - 3 kvantová čísla (hlavní, vedlejší, magnetické - Pauliho princip (max. 2 stejné opačný spin) - výsledek orbitaly Struktura obalu udává hlavně chemické vlastnosti - rozhodující valenční sféra - snaha o doplnění oktetu (příjem, odevzdání) - inertní Vazby: iontová Na+-Cl- - přitažlivé síly mezi ionty s opačným nábojem, vazba silná intermediálního typu - někdy kombinace předchozích - polarizace rozložení v poli - halogenidy Ag kovová - nízké obsazení valenční sféry - sdílení elektronů celku - kladné ionty a volné elektrony (plyn) pravidelné seskupení model dvou atomů - rovnovážná poloha - výklad - velký počet kovalentních orbitalů nebo pásová teorie - vlnový charakter - obsazení energetických hladin ev. zakázaná pásma - Brillouinovy zóny podstata vodivosti kovalentní - sdílení elektronového páru Cl2 - velmi pevná - SiC,C van der Waalsovy - síly fyzikální povahy mezi neutrálními atomy nebo molekulami - vazby slabé Uspořádání: U tuhých látek těsné než u tekutých nebo plynných - nejtěsnější u kovů - periodické uspořádání na velké vzdálenosti Kapaliny a amorfní látky ne neuspořádané - stupeň uspořádanosti nižší, pouze na krátkou vzdálenost Tab. I: Příklady krystalografických soustav Krystalová mříž: Základní buňka pravidelné uspořádání - opakování - popis soustavou krystalografických os a mřížkovými parametry /obr. 2.1/ - uzlové body sedm základních soustav /tab. I/ - další rozlišení jednoduché, bazálně centrované, prostorově centrované, plošně centrované - vyplývají i anisotropické vlastnosti - koordinační číslo /obr. 2.2/ (počet nejbližších sousedních atomů obvykle 8-12) - vliv na vlastnosti, kluzové roviny ap. 1
Obr. 2.2: mřížce Obr. 2.1: Základní krystalová buňka v rombické mřížce /α=β=γ=90, a b c/ Atomy koordinované v kubické plošně středěné Obr. 2.3: Příklady označování různých rovin Označování: Roviny Millerovými indexy /obr. 2.3/ obecně: stanovení úseků vytínaných na osách určení reciproké hodnoty oprava na nejmenší nesoudělné číslo kulaté závorky, všechny rovnoběžné roviny - složené závorky všechny roviny stejného typu Směrové indexy /obr. 2.4/ (hranaté závorky): Obr. 2.4: Millerovy indexy směrů úseky přímky od počátku oprava na nesoudělná čísla 2.2 Nedokonalosti krystalové mřížky (reálné krystaly) Vůči ideální nejsou reálné tak pravidelné - mřížkové distorze a další poruchy uspořádání. Příčina nedokonalostí: kmitání kolem rovnovážných poloh (amplituda dána meziatomovými silami, frekvence teplotou) atomy cizího kovu (nečistoty, legury) Z geometrického hlediska: bodové čárové plošné (prostorové) 2
Z termodynamického hlediska: rovnovážné (př. vakance) nerovnovážné (napěťové pole zvyšuje vnitřní energii + neuspořádanost zvyšuje entropii) Bodové /obr. 2.5/: Obr. 2.5: Druhy bodových poruch / a-vakance, b-vlastní intersticiál, c-intersticiál příměsí, d-substituční atom příměsi/ Vakance (prázdná míst termodynamicky rovnovážné: H / H entalpie vzniku c v = exp k.t vakance, k - Boltzmanova konstanta/ -zdroje vakancí - tepelná energie, radiační energie, - nory (pohlcování) volné povrchy, hranice zrn ap. - přeskoky mezi vakancí a atomem - aktivační energie = tepelně aktivovaný děj energeticky někdy výhodná dvojice vakance + intersticiální atom - tzv. Frenkelova porucha Substituční atomy Intersticiální atomy "Elektronové" vady poruchy rozložení elektronů u kovalentních a iontových vazeb hlavně příměsi polovodiče Čárové: Dislokace: Obr. 2.6: Skluz vyvolaný pohybem hranové dislokace Obr. 2.7: Skluz vyvolaný pohybem šroubové dislokace Obr. 2.8: Příčný skluz, šplhání dislokací a c). c) závisí na napětí a může dosahovat až rychlosti zvuku (cca 103 m.s-1) 3 hranové /obr. 2.6/ šroubové /obr. 2.7/ Nejjednodušší představa vložená polorovina (kladná či záporná) - definice rozhraní mezi posunutou a neposunutou částí krystalu vektor posunutí - Burgersův vektor: u hranové kolmý k dislokační čáře u šroubové leží ve skluzové rovině napěťové pole: u hranové normálové složky a smykové u šroubové pouze smykové a souměrné Pohyb dislokací překročíli se skluzové napětí v rovině a směru skluzu obvykle hustě obsazené roviny - rychlost skluzu
Směr pohybu /obr. 2.8/ : hranová pouze v rovině skluzu šroubová může přecházet do roviny rovnoběžné s původní skluzovou rovinou - příčný skluz - za vyšších teplot - hranová (tepelně aktivovaný děj - vakance) může opustit skluzovou rovinu ve směru kolmém (šplhání) - obcházení překážek (skoky - pomalejší) Interakce dislokací. Množství dislokací u žíhaného kovu 107 až 8.cm-2, u tvářeného kovu 1012.cm-2 - reálný krystal nedokonalý, překážky - jiné dislokace - atomy příměsí - jiné fáze protínání různoběžných dislokací - interakce napěťových polí c) v rovnoběžných rovinách Obr. 2.9: Schéma Frank-Readova zdroje dislokací / AB-překážky, d-dislokace, 1 - nakupení dislokací na až 7 stádia prohýbání dislokace / neprůchodných překážkách Napěťové pole kolem dislokace může ovlivnit rozložení příměsových atomů (substituční i interstetické - Cottrellovy atmosféry omezení pohybu ev. odtržení dislokace) Kupení a protínání principem deformačního zpevňování. Vznik dislokací v kovech.- již v netvářeném stavu při krystalizaci (teplotní gradienty a mechanické namáhání) - zónové tavení viskery - vnitřní zdroj /obr. 2.9/ - Frank-Readův dislokace zachycená na překážkách se napětím prohýbá, po překročení se smyčka uzavře a oddělí - opakování děje Význam teorie - podstata deformace, deformační zpevnění, modely porušování aplikace rozvoj nových materiálů a Obr. 2.10: Schéma hranice /a-s malými úhly (uspořádaná), btechnologií s velkými úhly (neuspořádaná) / Plošné: Vrstevné chyby - porušení sledů ABC - kubická plošně centrovaná - šesterečná těsně uspořádaná Prostorové: hranice zrn /obr. 2.10/ o maloúhlové (subzrna - orientace) o velkoúhlové (nad 15o) - zrna - vyšší energie - vyšší neuspořádanost nejen konfigurační, ale i chemická - vliv volné povrchy - mezifázová rozhraní 2.3 Chování materiálů za vnějšího zatížení Jedná se o vzájemný vztah vnějších a vnitřních sil - odezvou mohou být deformace až ev. lom (rozrušení). Pružné deformace - jedná se o vysunutí atomů z rovnovážných poloh, po,odlehčení vrácení do původního stavu v makrohledisku Hookeův zákon a nezávislé u běžných rychlostí deformace na čase - při rychlostech srovnatelných s rychlostí akustické vlny může docházet i k přemisťování intersticiálů ze stabilních poloh do roztahovaných oblastí 4
Obr. 2.11: Schéma skluzu a dvojčatění krystalů - výsledek časově závislé opoždění za napětím anelasticita (dopružování) obvykle při statických zkouškách zanedbáváme Trvalé deformace - po odlehčení nevymizí - probíhá jedním ze dvou procesů: skluzem nebo dvojčatěním /obr. 2.11/ skluz posun krystalografických rovin (jestliže by mělo dojít k posunu, potřebné napětí cca G/30 (např. pro ocel 2300 MPa - ve skutečnosti cca 100x menší) - dislokace dvojčatění - ne posun o mřížkový parametr, ale posuv mnoha rovin tak, že každá se přemístí o stejnou vzdálenost vůči sousedním - mimo typu mřížky typické nízká teplota a velká rychlost deformace Vztah skluzu a struktury - na monokrystalech - směr totožný se směrem nejhustěji obsazeným atomy - skluz nastává v nejhustěji obsazených rovinách - činný je ten systém, v němž skluzové napětí má nejvyšší hodnotu (vyplývá anizotropie deformace i u monokrystalu) kubická plošně středěná - roviny (111) směr /101/ - 12 skluzových systémů kubická prostorově středěná - 3 roviny (110), (112), (123) - směr /111/ - kritické skluzové napětí - skluz začíná v systému, kde je nejnižší hodnota kritického skluzového napětí - postupné natáčení rovin směrem k tahu - umožnění skluzu v dalších systémech (na povrchu skluzové pásy) - závislost napětí-deformace /obr. 2.12/ - k udržení plastické deformace nutný vzrůst napětí kovy kubické plošně uspořádané (k.pl.s) ev. hexagonálně těsně uspořádané - I. etapa jednoduchého (snadného) skluzu, zpevňování pomalé (malý přírůstek napětí - dlouhé volné dráhy dislokací, neblokované FR zdroje) - II. etapa rychlého zpevňování (zvýšení dislokační hustoty, kupení a protínání dislokací, další roviny) - III. etapa menší přírůstek napětí (někdy dynamické zotavování příčný skluz, šplhání a uvolňování dislokací) kovy kubické prostorově středěné (k.t.s.) - chybí výrazná prvá etapa - jedná se o vícenásobný skluz a rychlé zpevňování Obr. 2.12: Průběh závislosti napětídeformace monokrystalu / 1- mřížka k.pl.s., 2- mřížka k.t.s./ 5