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 Přednáška č. 2 Poruchy krystalické mřížky
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 Přednáška č. 2 Poruchy krystalické mřížky
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 Přednáška č. 2 Poruchy krystalické mřížky
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 Přednáška č. 2 Poruchy krystalické mřížky
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 Přednáška č. 2 Poruchy krystalické mřížky
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 Přednáška č. 2 Poruchy krystalické mřížky
Pojem napětí Působí-li na těleso vnější síla, vzniká v tělese mechanické napětí. Normálové napětí σ (Pa, MPa) tahové či tlakové F σ = S 0 kde S 0 je počáteční plocha průřezu. Smykové (tečné) napětí τ (Pa, MPa) F t τ = Max. τ bude při S = F cosα S = 0 sinα F t F cosα = = σ sinα cosα S S / sinα 0 τ 0 α = 45 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 Přednáška č. 2 Poruchy krystalické mřížky
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 Přednáška č. 2 Poruchy krystalické mřížky
Poruchy krystalové stavby kovů -Čárové 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 Přednáška č. 2 Poruchy krystalické mřížky
Poruchy krystalové stavby kovů -Čárové 15 Přednáška č. 2 Poruchy krystalické mřížky
Poruchy krystalové stavby kovů -Čárové Pohyb dislokací: Hranová dislokace Šroubová dislokace 16 Přednáška č. 2 Poruchy krystalické mřížky
Poruchy krystalové stavby kovů -Čárové 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 Přednáška č. 2 Poruchy krystalické mřížky
Poruchy krystalové stavby kovů -Čárové Pohyb dislokací: 1 dislokace, 2 precipitáty, 3 dislokační smyčka 18 Přednáška č. 2 Poruchy krystalické mřížky
Poruchy krystalové stavby kovů -Čárové Frank Readův (F-R) zdroj dislokací 19 Přednáška č. 2 Poruchy krystalické mřížky
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 ρdm 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 Přednáška č. 2 Poruchy krystalické mřížky
Poruchy krystalové stavby kovů - Plošné Plošné dislokace se dělí na: - vrstevná chyba - vnitřní rozhraní - hranice zrn - volný povrch 21 Přednáška č. 2 Poruchy krystalické mřížky
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 Přednáška č. 2 Poruchy krystalické mřížky
Poruchy krystalové stavby kovů - Plošné Vrstevná chyba je porušení pravidelnosti sledu krystalografických rovin. Většinou vzniká rozštěpením dislokace ve dvě neúplné dislokace 23 Přednáška č. 2 Poruchy krystalické mřížky
Poruchy krystalové stavby kovů - Plošné Hranice zrn Hranice mezi zrny jsou plošné poruchy krystalické mřížky, které kov intenzivně zpevňují. 24 Přednáška č. 2 Poruchy krystalické mřížky
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 Přednáška č. 2 Poruchy krystalické mřížky
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 Přednáška č. 2 Poruchy krystalické mřížky
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 Přednáška č. 2 Poruchy krystalické mřížky
Poruchy krystalové stavby kovů - Difúze 1, 2 - vzorky slitin λ - dělící rovina 1 C 1 A, CB - koncentrace složek A a B ve slitině 1 C A C 2 2, B ve slitině 2 - koncentrace složek A a B 28 Přednáška č. 2 Poruchy krystalické mřížky
Další zdroje informací 1) Silbernagel, A.: Nauka o materiálu I, skripta FS VŠB TU Ostrava, 2000, 150 s. 2) Strnadel, B.: Řešené příklady a technické úlohy z materiálového inženýrství, VŠB TU Ostrava, 1998, 334 s. 3) Strnadel, B.: Nauka o materiálu, Konstrukční materiály a jejich degradační procesy, skripta VŠB TU Ostrava, 1993, 187 s. 4) 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 Přednáška č. 2 Poruchy krystalické mřížky