Cursuri SIM

62 Studiul materialelor4. Imperfeciuni ale structurii cristaline 47

4. Imperfeciuni ale structurii cristaline

4.1 Tipuri de imperfeciuni structurale

Starea cristalin descris ca un aranjament perfect ordonat i periodic al atomilor, considerai sfere rigide, este specific cristalului perfect sau ideal.Materialul cristalin (metalic, ceramic sau polimer) obinut prin diferite procedee tehnologice (turnare, sinterizare, deformare, tratament termic, etc.) este n general un agregat policristalin, la care cristalele n contact au forme neregulate i numeroase abateri de la structura cristalin ideal. Aceste abateri se numesc imperfeciuni sau defecte structurale. Cristalul real, afectat de defecte, este numit cristalit sau grunte cristalin.

Imperfeciunile structurale se difereniaz din mai multe puncte de vedere:

1. Din punct de vedere al stabilitii n timp a deplasrii atomilor:

- imperfeciuni dinamice, care provoac deplasri variabile n timp ale atomilor. Astfel sunt vibraiile atomilor fa de poziia de echilibru, cu frecvene care depind de natura i intensitatea legturii interatomice. Amplitudinea acestor vibraii crete cu temperatura i de aceea defectul se numete agitaie termic. Vibraiile atomilor influeneaz direct unele proprieti (conductibilitatea termic i electric, cldura specific) sau indirect prin crearea de imperfeciuni statice;- imperfeciuni statice, care produc deplasri stabile n timp ale atomilor i modificri ale caracteristicilor structurii cristaline (distana interatomic, numrul de coordinaie etc). Aceste imperfeciuni au o influen important asupra proprietilor fizico-mecanice dependente de microstructur i vor fi analizate mai jos.

2. Din punct de vedere geometric imperfeciunile statice pot fi:

- punctiforme, cu zero dimensiuni;

- liniare sau dislocaii, cu o dimensiune;

- de suprafa, cu dou dimensiuni.

3. Din punct de vedere al stabilitii termodinamice:

- termodinamic stabile, care produc creterea entropiei cristalului i se opun creterii energiei libere. Exist n condiii de echilibru i numrul lor depinde de temperatur. De exemplu, lacunele;

- termodinamic instabile, care mresc energia cristalului. Numrul lor depinde de natura i mrimea tensiunilor aplicate n procesul de fabricaie. Astfel sunt dislocaiile, limitele de grunte etc.

4. Dup ordinul de mrime, defectele structurale sunt observabile prin:

- microscopie electronic: defectele punctiforme grupate i dislocaiile;

- microscopie optic: defectele de suprafa.

Cantitativ, imperfeciunile structurale reprezint o mic fraciune (1 la o mie de atomi), fiind predominant dispunerea ordonat a atomilor. Cu toate acestea, toate proprietile dependente de microstructur sunt puternic influenate de aceste imperfeciuni. Astfel, rezistena la traciune a unui monocristal este de 100 pn la 1000 de ori mai mare dect a unui material policristalin.

n afara acestor imperfeciuni, cristalul poate prezenta tensiuni interne remanente, care provoac distorsiuni elastice ale reelei cristaline. Datorit acestor distorsiuni, apar abateri pn la 1% ale parametrilor de reea. Prezena tensiunilor interne afecteaz puternic unele proprieti, precum rezistivitatea electric i rezistena la coroziune a metalelor. De asemenea tensiunile interne se nsumeaz cu tensiunile din exploatare, favoriznd sau micornd probabilitatea apariiei deformrii plastice i a ruperii.4.2 Imperfeciuni punctiforme

Imperfeciunile punctiforme au zero dimensiuni, pentru c sunt la scar atomic i dimensiunile defectului sunt de ordinul de mrime al constantei reticulare.

Defectele punctiforme n metale pot fi simple sau complexe.

Imperfeciunile simple cuprind: lacunele sau vacanele, atomii interstiiali i atomii de substituie (fig. 4.1).

Lacunele sau vacanele sunt puncte de reea, A, neocupate de atomi. Sursele de lacune sunt regiunile cu o densitate mai mic de atomi, cum sunt suprafeele libere, limitele de grunte, dislocaiile. De exemplu un atom superficial cu o energie mai mare se poate deplasa de pe poziia de echilibru n exterior. Prin acelai mecanism, un atom vecin poate sri pe poziia lacunei formate. Se produce migrarea lacunei n interiorul cristalului, concomitent cu deplasarea atomilor n sens opus. Astfel, prezena lacunelor favorizeaz procesul de autodifuziune deplasarea atomilor proprii n cristal n absena unei diferene de concentraie.

Vacanele sunt defecte termodinamic stabile, aflate ntr-o concentraie de echilibru, la o temperatur dat. Concentraia de echilibru de vacane crete exponenial cu temperatura:

Nv/N = exp (-Gv/kT) (4.1)

unde: Nv - numrul de vacane, N - numrul de atomi din unitatea de volum; Gv - entalpia liber de formare a unei vacane; k -constanta lui Boltzmann (8,6210-5 eV/atomK sau 1,3810-23 J/atomK); T - temperatura absolut. Considernd c energia de formare a unei vacane este Gv = 0,9eV/atom, concentraia de lacune la temperatura de 1000C este de ordinul a 10-4, fa de 10-17 la temperatura ambiant.

Numrul de atomi din unitatea de volum se poate calcula cu relaia:

N = NA / A (4.2)

unde: numrul lui Avogadro NA= 6,0231023atomi/mol; - densitatea; A - masa atomic. Rezult c pentru cupru, la 1000C ( = 8,4g/cm3, A = 63,5g/mol), numrul de echilibru de vacane pe unitatea de volum, Nv = 2,21025 vacane/m3.

Se poate obine o concentraie de vacane superioar concentraiei de echilibru pe cale termic prin rcire rapid pentru a fixa starea de temperatur nalt, deformare plastic sau iradiere cu particule de energie nalt.

Atomii interstiiali sunt atomi strini, B, sau atomi proprii, BSYMBOL 162 \f "Symbol", n poziii intermediare n reea.

Atomii de substituie, C sau C', sunt atomi strini, care ocup poziia unei lacune.

Defectele complexe rezult din asocierea defectelor simple (figura 4.2):

bivacane i trivacane - asocierea a dou sau trei vacane; interstiial disociat D - pereche de atomi interstiiali;

crowdion E - atomi interstiiali extini n lungul unui ir reticular dens;

clustere F - aglomerri discontinue de atomi interstiiali sau de substituie extinse pe zone restrnse.

Defectele punctiforme provoac deformarea elastic local a reelei cristaline i modificarea constantei reticulare (dup cum indic sgeile din figura 4.1). Vacanele i atomii de substituie, cu raza mai mic dect raza atomilor metalului de baz, contract constanta reticular i introduc tensiuni interne de ntindere. Atomii interstiiali i cei de substituie, cu raza superioar razei atomului metalului de baz, dilat constanta reticular i introduc tensiuni interne de compresiune.

Prezena defectelor punctiforme modific o serie de proprieti i cinetica unor transformri de faz nsoite de difuzie. Astfel, defectele punctiforme constituie obstacole pentru fluxul electronic i determin creterea rezistenei electrice. De asemenea, atomii de impuriti i mai ales clusterele sunt obstacole n deplasarea dislocaiilor, conducnd la durificarea soluiei solide i scderea plasticitii. Prezena lacunelor faciliteaz procesele de difuzie i accelereaz transformrile de faz cu difuzie. Difuzia controleaz n mare msur comportamentul materialelor metalice la temperaturi ridicate, n condiii de fluaj sau la tratamente termice.

n cristalele ionice, meninerea neutralitii electrice a cristalului impune existena unor perechi de defecte de semn opus. Se disting (fig. 4.3):

- defectul Schottky, compus dintr-o vacan anionic i alta cationic;

- defectul Frenkel, alctuit dintr-o vacan i ionul propriu dislocat interstiial.

n polimerii organici, apar n plus o serie de defecte punctiforme n structura lanului molecular:

- defecte de morfologie a lanului, cum este defectul Reneker (fig. 4.4a), care const din modificarea modului de asociere a dou uniti structurale, urmat de configuraia iniial a lanului. Se produce o treapt n lanul molecular.

- defecte de structur sau de compoziie chimic a lanului. n figura 4.4b se prezint o abatere de la structura lanului, cnd apare o unitate sindiotactic ntr-un lan izotactic.

Aceste defecte influeneaz flexibilitatea lanului molecular la plierea n structura cristalin, deformare elastic, vibraii termice i mecanice.

4.3. Imperfeciuni liniare - dislocaii

4.3.1 Tipuri de dislocaii

Dislocaiile sunt imperfeciuni monodimensionale, la care una dintre dimensiuni este mult mai mare dect constanta reticular.

Dislocaiile sunt iruri reticulare cu defect de coordinaie, care determin deformarea elastic a reelei cristaline pe distane mari fa de linia dislocaiei.

Cel mai simplu mecanism de generare a dislocaiilor este alunecarea asincron (incomplet) a unei pri din cristal. Se consider un cristal, secionat cu un semiplan ideal de tiere ABCD, de grosime infinit mic (fig. 4.5a), numit plan de alunecare. Direcia AB, care limiteaz intern semiplanul de alunecare, poart denumirea de linia dislocaiei sau dislocaie. Dac se exercit un efort paralel cu planul ABCD, o parte a cristalului alunec pe distane finite. Direcia, mrimea i sensul deplasrii se caracterizeaz cu un vector , paralel cu planul de alunecare, numit vectorul Brgers.

a. b.

Fig. 4.5 Generarea dislocaiei marginale prin alunecare: a. cristalul secionat cu planul ideal de tiere (ABCD), AB - linia dislocaiei; b. dislocaia marginal

n funcie de poziia vectorului fa de linia dislocaiei AB, exist dou tipuri de dislocaii simple:

- marginal sau pan, de tip Taylor-Orowan;

- elicoidal sau urub, de tip Brgers;Dislocaia marginal se caracteri-zeaz prin SYMBOL 94 \f "Symbol" AB (fig. 4.5b). Partea de deasupra planului de alunecare se deplaseaz cu poriunea haurat (CSYMBOL 174 \f "Symbol"C', DSYMBOL 174 \f "Symbol"D'), ceea ce produce n aceast zon o comprimare a planelor reticulare. Apare semiplanul reticular suplimentar sau extraplanul (ABEF), cu aspect de pan, perpendicular pe planul de alunecare i limitat de linia dislocaiei AB.

n figura 4.6 se prezint aranjamentul atomic ntr-o seciune perpendicular pe dislocaia AB, care evideniaz extraplanul AF. Se observ c linia dislocaiei AB este un ir reticular cu un numr de coordinaie mai redus (este nconjurat de 5 atomi), care separ zona alunecat de zona rmas fix. Prin convenie se consider dilocaia pozitiv, dac extraplanul este situat deasupra planului de alunecare i se noteaz SYMBOL 94 \f "Symbol", respectiv negativ, dac extraplanul este sub planul de alunecare, simbolizat T.

Dislocaia elicoidal se caracterizeaz prin || AB (fig. 4.7). Se produce o forfecare a cristalului, cu o deplasare relativ pe poriunea haurat. Planele reticulare se intersecteaz i apare o suprafa, care nfoar elicoidal linia dislocaiei AB, asemenea flancului unui urub. Prin convenie, dislocaia se consider de dreapta, dac se parcurge n sens orar i se simbolizeaz , respectiv de stnga, dac suprafaa se parcurge n sens antiorar. n acest caz, se simbolizeaz .

O dislocaie se evideniaz n reeaua cristalin cu ajutorul circuitului Brgers, trasat ntr-o seciune perpendicular pe linia dislocaiei (fig. 4.8). Acesta este un patrulater MNPQR construit n lungul irurilor reticulare, avnd laturile opuse cu acelai numr de distane interatomice. O reea fr dislocaii permite nchiderea circuitului. Dac n interiorul lui exist cel puin o dislocaie, apare un defect de nchidere MR, egal cu modulul vectorului Brgers. Mrimea MR este ntotdeauna un multiplu al constantei reticulare.

n majoritatea cazurilor, dislocaiile sunt complexe, rezultate prin asocierea de dislocaii simple. Dislocaia mixt este caracterizat prin linia dislocaiei AB curb (fig. 4.9a), aa nct diferitele segmente ale liniei AB au o anumit poziie fa de vectorul . n fiecare punct al dislocaiei, vectorul Brgers este constant i poate fi descompus ntr-o component marginal Taylor (T), normal la linia AB i o component elicoidal Brgers (B), tangent la linia AB. Caracterul dislocaiei se modific n lungul liniei dislocaiei AB. Astfel, n A este de tip elicoidal, apoi mixt, iar n B de tip marginal.

Formarea dislocaiilor mixte se datoreaz faptului c o linie de dislocaie simpl nu se oprete n interiorul cristalului. Dislocaia se extinde pn la ntlnirea suprafaei libere sau a unui obstacol ca: alte dislocaii, limita de grunte etc. Dislocaia mixt rezult prin nlnuirea succesiv a dislocaiilor simple marginale i elicoidale, pn la atingerea suprafeei cristalului sau nchiderea unei bucle de dislocaii.

n figura 4.9b se prezint o dislocaie mixt plan cu forma de bucl nchis, care limiteaz regiunea n care s-a produs alunecarea. La modul general, dislocaia mixt poate avea o form spaial complex.

n cristalul nedeformat, dislocaiile formeaz o reea spaial - reeaua Frank, n ochiurile creia reeaua cristalin este lipsit de dislocaii.

4.3.2 Originea dislocaiilor

Dislocaiile apar n procesul solidificrii prin:

condensarea lacunelor existente n lichid;

creterea preferenial a cristalelor dup treapta dislocaiei elicoidale, incident la suprafaa de cretere; formarea de plane reticulare incomplete;

alunecri cauzate de tensiunile de contact cu: ali gruni n cretere, incluziunile nemetalice, pereii vasului de turnare etc.

Dislocaiile pot apare, de asemenea, sub aciunea tensiunilor provocate de procesul deformrii plastice, transformrile de faz cu variaii de volum, alierea sau rcirea rapid.Cantitatea de dislocaii se apreciaz prin densitatea de dislocaii SYMBOL 114 \f "Symbol", definit ca raport ntre lungimea L a dislocaiilor din volumul V:

= L / V [m-2] (4.3)

Cea mai redus densitate de dislocaii corespunde strii de echilibru. n metalele recoapte, =109 1010 m-2 i crete la 1016m-2 n metalele puternic deformate la rece. Exprimat mai sugestiv, n oelul recopt exist 1km de dislocaii ntr-un cm3, iar dup deformarea la rece se ajunge la 107km/cm3.

Densitatea de dislocaii se poate stabili prin studiul figurilor de coroziune la microscopul optic, prin microscopie electronic sau difractometrie cu radiaii X.

4.3.3 Proprietile dislocaiilor

Dislocaiile sunt cele mai importante imperfeciuni structurale, cu rol determinant asupra proprietilor dependente de structur. Astfel, pe baza noiunilor de teoria dislocaiilor, pot fi explicate comportarea la deformare plastic i ruperea metalelor. De aceea, cunoterea proprietilor dislocaiilor are o deosebit importan teoretic i practic.

Principalele proprieti ale dislocaiilor sunt:

1. Dislocaiile provoac defor-marea elastic a reelei cristaline pe distane mari fa de linia dislocaiei (pn la 20 distane interatomice). n jurul fiecrei dislocaii, se creaz un cmp de tensiuni de form cilindric cu raza 3-4 diametre atomice. La o dislocaie marginal pozitiv (fig. 4.10), deasupra planului de alunecare, tensiunile sunt de compresiune, iar sub planul de alunecare, sunt de ntindere. Energia E de deformare elastic acumulat de dislocaie se calculeaz cu relaia:

E = Gb2L (4.4)

unde: G-modulul de elasticitate transversal; b-modulul vectorului Brgers; L-lungimea dislocaiei. Apariia unei dislocaii crete energia cristalului, ceea ce face ca dislocaia s fie un defect termodinamic instabil.

2. Dislocaiile se deplaseaz n cristal sub aciunea unui efort tangenial paralel cu vectorul Brgers i de mrime supracritic SYMBOL 116 \f "Symbol" > SYMBOL 116 \f "Symbol"cr.

Deplasarea dislocaiilor este favorizat de tendina spontan de reducere a energiei cristalului, prin refacerea simetriei reelei cristaline.

Dislocaiile marginale se pot deplasa prin alunecare (slip) i crare (climb).

Deplasarea prin alunecare (fig. 4.11) are loc ntr-un plan ce conine linia dislocaiei i vectorul Brgers . Deplasarea este perpendicular pe dislocaie i paralel cu direcia vectorului . Deplasarea se face progresiv, pn la eliminarea dislocaiei sub form de treapt la suprafaa cristalului, ceea ce modific ireversibil forma cristalulului sau pn la blocarea dislocaiei de ctre obstacole.

Pentru majoritatea materialelor deplasarea dislocaiilor pe planele de alunecare constituie mecanismul de baz al deformrii plastice la rece (temperatura de deformare inferioar temperaturii de recristalizare). Este un mecanism care necesit eforturi mici i nu depinde de temperatur. n absena dislocaiilor, eforturile de forfecare, pentru a deplasa o parte a cristalului n raport cu alta, sunt mari, deoarece este necesar ruperea simultan a tuturor legturilor dintre toi atomii adiaceni planului de alunecare. Deplasarea prin cristal a unei dislocaii marginale necesit eforturi mult mai reduse, deoarece implic numai ruperea legturilor dintre atomii a dou iruri reticulare adiacente planului de alunecare. Mai sugestiv, deplasarea pe o suprafa plan a unui covor de dimensiuni mari se face mai uor prin formarea unei cute la unul din capete i deplasarea acesteia n lungul covorului.

n cristalele metalice (izotrope) planele prefereniale de alunecare a dislocaiilor marginale sunt cele de densitate atomic maxim: {111} pentru CFC, {110} pentru CVC i {0001} pentru HC. n cazul cristalelor ionice, micarea dislocaiilor este favorizat de planele care nu pun n contact ioni de acelai semn. De aceea, la MgO, care are structura CFC, planele de alunecare sunt {110}.

n cristalele cu legtur covalent, dislocaiile se deplaseaz cu dificultate datorit caracterului orientat al legturii. Din aceast cauz, ceramicele ionice i covalente au un numr mic de dislocaii mobile. Spre deosebire de metale, ceramicele au o deformabilitate foarte redus, avnd comportament fragil. Polimerii semicristalini sunt de asemenea n marea lor majoritate fragili, datorit faptului c mobilitatea dislocaiilor este limitat de prezena lanurilor moleculare i a masei amorfe.

Deplasarea prin "crare" a dislocaiei marginale este perpendicular pe planul de alunecare (fig. 4.12). Pentru poziia A'B' este necesar migrarea prin difuzie a irului reticular AB, iar pentru poziia A"B" aportul prin difuzie a unui nou ir reticular. Deoarece difuzia este activat de creterea temperaturii, acest mecanism este prezent numai la temperaturi ridicate. El contribuie, de exemplu, la deformarea plastic la cald sau n condiii de fluaj a materialelor metalice.

Dislocaia elicoidal se deplaseaz numai prin alunecare, perpendicular pe dislocaie i vectorul Brgers, asemenea interseciei lamelor unui foarfece la nchidere sau deschidere (fig. 4.7). Deoarece linia dislocaiei este paralel cu vectorul Brgers, planul de alunecare nu este definit univoc i de aceea orice plan de densitate atomic maxim, care trece prin linia dislocaiei, este un plan de alunecare posibil. Ca urmare, la ntlnirea unui obstacol, dislocaia elicoidal i poate schimba planul de alunecare prin alunecare deviat (cross slip).

3. Dislocaiile interacioneaz ntre ele, n scopul reducerii energiei cristalului.

Dislocaiile din acelai plan de alunecare, de acelai tip i semn se resping, pentru c la apropiere mresc distorsiunea reelei, iar cele de semne contrare se atrag compensndu-se (fig.4.13a). Interaciunea dislocaiilor de semne contrare, din plane de alunecare paralele apropiate este aceeai i este nsoit de apariia de lacune sau atomi interstiiali (fig. 4.13b).

Dislocaiile marginale de acelai semn, din plane de alunecare paralele distanate, se atrag i se dispun una sub alta ntr-o configuraie de minim energie, numit perete de dislocaii (fig. 4.13c).

Interaciunea dislocaiilor din plane de alunecare, care se intersecteaz, poate produce o frngere reciproc a dislocaiilor. Apar trepte n dislocaii, care nu influeneaz deplasarea dislocaiilor marginale, dar frneaz deplasarea dislocaiilor elicoidale. n figura 4.13d se prezint generarea treaptei la o dislocaie marginal.

4. Dislocaiile interacioneaz cu defectele punctiforme.

n interaciunea lor, dislocaiile sunt surse de lacune i de atomi interstiiali (fig. 4.13b). Atomii dizolvai interstiial segreg n zonele dilatate din vecintatea liniei dislocaiilor. Se formeaz "atmosfere Cottrell" de impuriti, care micoreaz mobilitatea dislocaiilor i cresc rezistena la deformare plastic.Aceast interaciune explic fenomenul punctului de curgere la oelurile cu coninut redus de carbon, durificarea soluiilor solide, mbtrnirea mecanic etc.

5. Dislocaiile se multiplic prin surse Frank-Read.O surs Frank-Read (fig. 4.14) este o dislocaie cu capetele blocate n punctele A i B ale planului de alunecare (stadiul 1). Sub aciunea unei tensiuni perpendiculare pe axa dislocaiei, superioare unei valori critice, se produce curbarea dislocaiei (stadiul 2) pn la forma unei semicerc (stadiul 3). Dislocaia se propag n continuare sub forma a dou spirale, care n final se ating i formeaz o bucl nchis (stadiile 4, 5, 6). Bucla se separ de dislocaia mam (stadiul 7) i un nou sector al dislocaiei este adus n poziia iniial. Sursa continu s emit noi dislocaii. Bucla exterioar crete pn atinge suprafaa cristalului, unde creaz o treapt sau pn ntlnete un obstacol.

Tensiunea critic, care activeaz o surs Frank-Read, este dat de relaia:

SYMBOL 116 \f "Symbol"cr = Gb / L (4.5)

Tensiunea critic scade pentru dislocaiile lungi, deplasate pe distane scurte.

Mecanismul de formare de noi dislocaii prin surse Frank-Read explic capacitatea mare de deformare plastic a unor metale. Astfel, eliminarea n procesul de deformare plastic a dislocaiilor la suprafaa piesei este compensat de crearea de noi dislocaii prin sursele Frank Read. Pe de alt parte, formarea de noi dislocaii, care se blocheaz intern la obstacole, determin creterea rezistenei la deformare plastic.

6. n planele de alunecare dislocaiile se grupeaz la obstacole.

Dislocaiile se acumuleaz la limita de grunte, particulele de faz secundar, dislocaiile imobile, incluziunile nemetalice, unde genereaz un cmp de tensiuni. Numrul de dislocaii, care se pot bloca la un obstacol, depinde de tipul barierei, natura materialului i de temperatur. Acumularea dislocaiilor la obstacole determin creterea rezisentei la deformare plastic i micorarea plasticitii, stare cunoscut sub numele de ecruisare.

Depirea unui obstacol se poate face prin schimbarea planului de alunecare sau prin ocolire. n figura 4.15a se prezint ocolirea precipitatelor de faz secundar prin curbarea dislocaiei i formarea unor bucle de dislocaii n jurul precipitatelor. Acest proces st la baza durificrii prin precipitare.

Limita de grunte (fig. 4.15b) este un obstacol, care nu poate fi ocolit i determin blocarea dislocaiilor. Generarea unor tensiuni suficient de mari poate conduce la formarea de microfisuri i la iniierea ruperii.

4.3.4 Influena dislocaiilor asupra rezistenei la deformare plastic

Din figura 4.16 reiese c, rezistena la deformare plastic () a materialelor cristaline variaz n funcie de densitatea de dislocaii () dup o curb cu minim.

n cristalul ideal = 0, iar rezistena teoretic este maxim (punct 1).

Rezistena minim o (punct 2) corespunde strii de echilibru a materialului policristalin, caracterizat prin densitatea de dislocaii o (1091010m-2 pentru oelul recopt). Curba () va caracteriza la < 0 monocristalele, iar 0 materialele policristaline. n monocristale, creterea densitii de dislocaii le micoreaz rezistena, spre deosebire de materialele policristaline, la care creterea densitii de dislocaii este nsoit de durificare.

n consecin, rezistena la deformare poate crete pe dou ci:

I - crearea de monocristale cu o densitate redus de dislocaii (zona 3), pentru a obine o rezisten apropiat de cea teoretic.

n prezent se pot obine monocristale filiforme numite whiskers (englez), barbes sau poils (francez), cu diametrul 0,52m i lungimi 210mm.

n tabelul 4.1 se exemplific rezistena de rupere la traciune a unor whiskers de metale i materiale ceramice, comparativ cu ale metalelor policristaline tehnic pure.

Datorit dimensiunilor foarte mici, monocristalele filiforme se folosesc n materialele compozite, alctuite dintr-o matrice tenace din Cu, Al, Ag, aliaj Ni-Cr, polimeri, i elemente de armare din whiskers din W, Mo, Al2O3, B, C, B4C, SiC, fibre de sticl, etc. Rezistena materialelor compozite este de 5-10 ori mai mare dect a matricei. Rezistena se mrete cu creterea diferenei dintre modulele de elasticitate ale matricei i fibrelor, creterea forelor de coeziune matrice-fibre, micorarea diametrului fibrelor i a distanei dintre ele.Tabel 4.1 Rezistena la traciune a unor whiskers i metale policristaline (N/mm2)FeCuZnAl2O3C (grafit)B4CSiC

whiskers13000300022502000021000700011000

material

policristalin300250180-- - -

II - creterea densitii de dislocaii n materialelele policristaline (zona 4, din figura 4.16). Pe acest principiu se bazeaz durificarea materialelor metalice prin ecruisare, aliere, clirea oelului etc.

Relaia dintre limita de curgere c, ca indicator global al rezistenei la deformare plastic i densitatea de dislocaii este:

c = o + G b -1/2 (4.6)

unde o - limita de curgere la starea de echilibru, recoapt; - coeficient de durificare, care depinde de tipul de reea cristalin i compoziia chimic a aliajului. Densitatea de dislocaii se limiteaz la 10161017m-2. La valori mai mari, se produce fragilizarea materialului.

4.4 Imperfeciuni de suprafa

Defectele de suprafa sunt imperfeciuni bidimensionale, dou dintre dimensiuni fiind mult mari dect constanta reticular. Analiza structurii unui material policristalin (fig. 4.17) arat c este alctuit din gruni cu orientare arbitrar a reelei cristaline, iar fiecare grunte poate fi subdivizat n subgruni formai din microblocuri n mozaic.

Defectele de suprafa sunt: limita de grunte, limita de subgrunte, structura de blocuri in mozaic, limita de macl, defectele de mpachetare etc.

1. Limita de grunte (limita la unghiuri mari) este suprafaa de separaie a doi gruni cristalini vecini, al cror unghi , de dezorientare a reelelor cristaline, este de ordinul zecilor de grade (fig. 4.18).Limita de grunte este o zon de tranziie, cu grosimea de dou pn la trei distane interatomice, care, prin orientarea progresiv a atomilor, asigur racordul reelelor cristaline vecine. Grosimea limitei de grunte i gradul de distorsiune a reelei depind de orientarea relativ a grunilor i de prezena impuritilor.

Limita de grunte este o zona de energie intern nalt, datorit concentrrii defectelor structurale (lacune, atomi strini, dislocaii). n consecin, limitele de grunte au urmtoarele proprieti:

- reactivitatea chimic ridicat, care se manifest prin dizolvarea energic a limitelor n medii corozive (coroziune intercristalin) i prin atacul metalografic preferenial la limita de grunte;

- tendina spontan a grunilor de a-i reduce energia superficial, asigurat de raportul minim dintre suprafaa i volumul grunilor. De aceea, la mrirea temperaturii, grunii cristalini cresc, tinznd spre forma sferic de raz maxim;

- sunt sediul de iniiere a transformrilor de faz n stare solid i de precipitare a noii faze .

Limita dintre grunii de aceeai natur este ntotdeauna incoerent; nici un plan cristalografic dintr-o parte a acesteia nu-i pstreaz coerena de cealalt parte, astfel nct dislocaiile nu o pot traversa sau ocoli. Limita de grunte este un obstacol la care se acumuleaz dislocaii. De aceea, cantitatea de limit de grunte, evaluat prin mrimea de grunte, influeneaz puternic proprietile fizico-mecanice dependente de microstructur. Astfel, granulaia fin (cantitate mare de limit de grunte) asigur valori ridicate ale rezistenei mecanice la rece, rezistenei la deformare plastic, plasticitii, tenacitii, rezistenei la oboseal, forei coercitive, rezistivitii electrice etc. Granulaia grosier favorizeaz rezistena mecanic la temperaturi ridicate, permeabilitatea magnetic, prelucrabilitatea prin achiere, clibilitatea etc.

Dependena rezistenei la deformare plastic la rece c n funcie de diametrul mediu de grunte d se exprim prin relaia lui Petch:

c = o + k/d-1/2 (4.7)

unde o , k - constante de material.

Limitele de grunte, care separ gruni cristalini de natur diferit, se numesc suprafee interfazice. Aceste suprafee pot fi coerente sau incoerente.

Suprafeele interfazice coerente se caracterizeaz printr-o continuitate ntre reelele cristaline ale celor dou faze. Se realizeaz ntre faze care au plane reticulare nrudite din punct de vedere al distribuiei atomilor i al distanei dintre atomi. De exemplu, planul {111} de la reeaua CFC i planul {0001} la reeaua HC.

Suprafeele interfazice incoerente nu asigur continuitatea de reea i de aceea au o mobilitate inferioar celor coerente. Aceasta determin o vitez mai rapid de cretere a precipitatelor coerente comparativ cu cele incoerente. n funcie de coerena suprafeelor interfazice, precipitatele determin mecanisme diferite de durificare, fie datorit rezistenei ntmpinate la traversarea de ctre dislocaii a precipitatelor coerente, fie n cazul celor incoerente, datorit cmpului de tensiuni creat prin ocolirea precipitatelor sau la blocarea micrii dislocaiilor.

2. Limita de subgrunte (sublimita sau limita la unghiuri mici) este o suprafa de separaie ntre poriuni ale aceluiai grunte cristalin, dezorientate cu un unghi de ordinul gradelor (fig. 4.19). Se observ c majoritatea planelor cristalografice i pstreaz coerena, dislocaiile putnd trece pe aceste plane dintr-o parte n alta a sublimitei.

Sublimita este rezultatul interaciunii dislocaiilor de acelai tip i semn din plane de alunecare paralele. n figura 4.13c s-a prezentat un perete de dislocaii marginale. ntre unghiul de dezorientare i distana D dintre dislocaii exist relaia:

b / D (4.8 )

unde b este modulul vectorului Brgers al dislocaiilor ce formeaz sublimita.

Sublimitele apar n procesul cristalizrii sau prin redistribuirea dislocaiilor la recristalizarea materialului ecruisat.

3. Structura de blocuri n mozaic. S-a constatat c i n absena sublimitelor, un grunte cristalin este alctuit din microblocuri elementare de ordinul de mrime 0,01-1(m, care sunt dezorientate reciproc de la cteva secunde la 10-20 minute. Structura de blocuri n mozaic este dat de reeaua Frank de dislocaii din cristal. n interiorul unui bloc nu exist dislocaii. Creterea densitii de dislocaii este nsoit de finisarea blocurilor n mozaic i mrirea rezistenei la deformare plastic.

4. Limita de macl este o interfa plan, coerent, n cadrul unui grunte cristalin monofazic, care separ macla de restul cristalului.

Macla (fig. 4.20) este o poriune din cristal deplasat, astfel nct reprezint imaginea simetric a zonei rmase fixe, n raport cu un plan de maclare. La microscop, macla apare ca o band cu limitele de macl paralele. La un atac metalografic mai intens, macla este de culoare contrast fa de restul gruntelui.

Maclele sunt de origine mecanic sau de cretere. Maclele mecanice apar n procesul deformrii plastice. Sunt specifice pentru structurile cristaline cu puine sisteme de alunecare, cum este structura hexagonal compact (Zn, Co, Mg etc.) sau tetragonal cu volum centrat (SnSYMBOL 98 \f "Symbol"). Maclele de cretere sau de recoacere apar n procesul de recristalizare. Macle de recoacere apar la structura cubic cu fee centrate (Cu, oel austenitic etc), n urma recristalizrii materialului ecruisat.

5. Defectul de mpachetare reprezint suprafaa de separaie ntre poriuni ale aceluiai grunte cristalin, n care s-a produs o modificare a succesiunii normale a planelor de densitate atomic maxim. Apar n procesul cristalizrii cu viteze mari sau la deformarea plastic a structurilor CFC sau HC. n structura CFC, succesiunea normal a planelor este ABCABC... (fig. 3.5b), iar n zona perturbat poate fi ca la structura hexagonal compact ABAB...(fig. 3.6b). n structura HC, apare n zona perturbat succesiunea planelor de la structura CFC. Prezena acestor defecte reduce mobilitatea dislocaiilor i mrete rezistena la deformare plastic.4.5 Rezumat i concluzii

Cristalul real se abate de la modelul ideal pentru c prezint o serie de defecte la scar atomic, care influeneaz n mod decisiv proprietile dependente de microstructur. Din punct de vedere geometric, defectele structurale pot fi punctiforme, liniare i de suprafa.

Defectele punctiforme, simple (vacane, atomi interstiiali sau de substituie) sau complexe (interstiial disociat, crowdion sau cluster), deformeaz elastic local reeaua cristalin, introducnd tensiuni interne, cu efect de cretere a rezistenei electrice i a rezistenei la deformare.

Dislocaiile sunt defectele liniare, care produc deformarea elastic a reelei spaiale pe distane mari fa de linia dislocaiei. Dislocaiile simple pot fi marginale, dac vectorul Brgers este perpendicular pe linia dislocaiei sau elicoidale, dac vectorul Brgers este paralel cu aceasta. Prezena dislocaiilor n reeaua cristalin se poate evidenia cu ajutorul circuitului Brgers. Dislocaiile complexe rezult prin asocierea de dislocaii simple. Dislocaia mixt se caracterizeaz printr-o linie a dislocaiei curb, ca urmare a nlnuirii succesive de dislocaii marginale i elicoidale. n cristalul n stare de echilibru, dislocaiile alctuiesc reeaua spaial Frank, n ochiurile creia nu exist dislocaii.

Dislocaiile determin n reeaua cristalin un cmp cilindric de tensiuni elastice, care mrete energia cristalului. Interaciunea dislocaiilor ntre ele, ct i cu celelate defecte structurale este o interaciune ntre cmpurile de tensiuni ale acestora, care tinde s reduc energia cristalului. Deplasarea dislocaiilor prin alunecare st la baza procesului de deformare plastic la rece a materialelor metalice. Blocarea dislocaiilor la obstacole determin starea de ecruisare, caracterizat prin creterea rezistenei la deformare. Ceramicele i polimerii organici tridimensionali au dislocaii cu mobilitate redus, ceea ce le confer un comportament fragil.

Rezistena la deformare plastic a unui monocristal scade cu creterea densitii de dislocaii. La materialele policristaline durificarea este asigurat de o densitate mrit de dislocaii, realizat prin clire, aliere sau deformare plastic la rece.

Limitele de grunte reprezint suprafee de separaie ntre gruni cristalini, a cror dezorientare a reelei cristaline este de ordinul zecilor de grade. Limita ntre gruni cristalini de aceeai natur, este incoerent. Suprafeele interfazice, care separ gruni cristalini de natur diferit, pot fi incoerente sau coerente. Suprafeele coerente pot fi traversate de dislocaii. Limitele de grunte incoerente constitue blocaje n planele de alunecare a dislocaiilor, cu efect de durificare. Sublimitele sunt perei de dislocaii, care determin dezorientarea unor volume din gruntele cristalin sub unghiri mici, de ordinul gradelor. Sublimitele prezint o coeren parial a planelor de alunecare, fiind traversate de dislocaii. Structura de blocuri n mozaic reprezint microvolume dezorientate sub unghiuri sub 20 secunde, determinate de reeaua Frank de dislocaii. Limita de macla este o interfa plan coerent, care separ macla de restul gruntelui. Controlul strict al naturii i cantitii defectelor structurale permite obinerea de materiale cu un complex dorit de proprieti fizico-mecanice. Fig 4.1 Defecte punctiforme simple: A lacune; B, B atomi interstiiali;

C.C atomi de substituie

a.b.

Fig. 4.15 a. Ocolirea precipitatelor; b. Blocarea dislocaiilor la limita de grunte

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

Cl

Na+

defect

Fig. 4.4 Defecte n structura polimerilor: a. Reneker;

b. defect de structur a lanului la un polimer izotactic

b.

a.

defect

EMBED MSPhotoEd.3

EMBED Equation.3

D

C

B

d.

b.

a.

atomi interstiiali

lacune

Sursa Frank-Read

EMBED MSPhotoEd.3

Fig. 4.12 Deplasarea dislocaiei marginale prin crare din poziia AB n AB sau AB

D=b/

EMBED MSPhotoEd.3

c.

EMBED MSPhotoEd.3

Fig. 4.11 Evoluia deplasrii dislocaiei marginale pozitive prin alunecare

d.

c.

b.

a.

Plan de alunecare

EMBED Word.Picture.8

Fig. 4.2 Defecte punctiforme complexe: D-interstiial disociat; E-crowdion; F-cluster

Fig. 4.10 Cmpul de tensiuni din jurul unei dislocaii

4

2

3

1

o

max

o

Fig. 4.17 Microstructura materialului policristalin

grunte

cristalin

blocuri n mozaic

sublimita

subgrunte

macla

limita de macl

grunte

EMBED MSPhotoEd.3

C

B

EMBED MSDraw

+T

-T

-B

+B

T

b

Fig. 4.6 Dislocaia marginal pozitiv ntr-un cristal cu structur cubic

EMBED Equation.3

B

D

C

EMBED MSDraw

Fig. 4.19 Seciune cristalografic printr-o sublimit.

EMBED MSDraw

Fig. 4.18 Seciune cristalografic printr-o limit de grunte.

EMBED Equation.3

Fig. 4.13 Interaciunea dislocaiilor marginale; a. din acelai plan de alunecare;

b., c. din plane paralele; d. din plane perpendiculare

Fig. 4.14 Sursa Frank-Read

Fig. 4.16 Influena densitii de dislocaii asupra rezistenei la deformare

limita de grunte

plane de maclare

atom deplasat atom rmas fix

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

a.

b.

limita de grunte

microfisura

D

E

F

D

C

A

B

D

C

A

E

F

extraplan

a.b.

Fig. 4.7 Dislocaia elicoidal a. generarea dislocaiei prin alunecare; b. dispunerea atomilor n jurul axei AB

A

b.

a.

a. b. c.

Fig. 4.8 Circuitul Brgers n: a. reea cristalin fr dislocaii; b. reea cu dislocaie marginal; c. reea cu dislocaie elicoidal

a. b.

Fig. 4.9 a. Dislocaie mixt; b. Bucl plan de dislocaii

EMBED Equation.3

D

B

a.D

A

B

A

D

_1040893821.unknown

_1040965597.bin

_1065076434.unknown

_1068811835.unknown

_1049874335.doc

G

_1040893859.unknown

_1025692313.bin

_1033804797.unknown

_1025805318.bin

_1013972638.bin

_1025688773.bin