Επιστήμη των Υλικών. Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων. Τμήμα Φυσικής

Transcript

1 Επιστήμη των Υλικών Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων Τμήμα Φυσικής 2017 Α. Δούβαλης

2 Ατέλειες, διαταραχές και σχέση τους με τις μηχανικές ιδιότητες των στερεών (μεταλλικά στερεά) μικτή διαταραχή διαταραχή κοχλία διαταραχή ακμής αποτέλεσμα διατμητικών τάσεων

3 Ολίσθηση και διατμητικές τάσεις Επίπεδο ολίσθησης ακμή-βάθμωση (σκαλοπάτι στην επιφάνεια του υλικού) Πλαστική παραμόρφωση: κίνηση ενός μεγάλου αριθμού διαταραχών Διαδικασία μετάδοσης της διαταραχής: ολίσθηση

4 Ολίσθηση κίνηση διαταραχής ακμής -> κίνηση κάμπιας παραμόρφωση λόγω διαταραχής ακμής (a) και κοχλία (b) Πυκνότητα διαταραχών ολικό μήκος διαταραχών (mm) μοναδιαίος όγκος υλικού (mm 3 ) τυπική τιμή για μεταλλικά υλικά: 10 3 mm -2 για έντονα παραμορφωμένα μεταλλικά υλικά: mm -2, η οποία μπορεί να μειωθεί μετά από θερμική τους επεξεργασία σε ~ mm -2 τυπικές τιμές για κεραμικά υλικά: mm -2 για Si σε ολοκληρωμένα κυκλώματα η απαίτηση της βιομηχανίας ηλεκτρονικών είναι : mm -2!

5 Σχέση των διαταραχών με τις μηχανικές ιδιότητες Πλαστική παραμόρφωση: διατήρηση ποσοστού της ενέργειας παραμόρφωσης (~ 5%) ως εσωτερική ενέργεια του υλικού υπό την μορφή διαταραχών, υπόλοιπο -> θερμότητα. Αλληλεπιδράσεις διαταραχών Πεδία παραμόρφωσης άπωση θλίψη έλξη εφελκυσμός Σε μία ατομική διαταραχή επιβάλλονται παραμορφώσεις εφελκυστικής, θλιπτικής και διατμητικής φύσης στα γειτονικά άτομα. Παρατηρείται πολλαπλασιασμός των διαταραχών κατά την διαδικασία πλαστικής παραμόρφωσης Αλληλοαναίρεση διαταραχών ακμής κατά την έλξη.

6 Συστήματα ολίσθησης Σε ορισμένους κρυστάλλους υπάρχουν προτιμητέα επίπεδα στα οποία πραγματοποιείται η κίνηση της διαταραχής (επίπεδα ολίσθησης). Αυτά τα επίπεδα είναι επίπεδα πυκνής ατομικής διάταξης και οι προτιμητέες διευθύνσεις της ολίσθησης είναι διευθύνσεις με την μεγαλύτερη γραμμική ατομική πυκνότητα. Ο συνδυασμός του επιπέδου και της διεύθυνσης ολίσθησης ορίζει το σύστημα ολίσθησης. fcc: επίπεδο (111) οικογένεια {111} fcc: διεύθυνση [110] οικογένεια <110> fcc: 12 συστήματα ολίσθησης 4 επίπεδα στην οικογένεια {111} και 3 διευθύνσεις στην οικογένεια <110> για κάθε επίπεδο

7 Συστήματα ολίσθησης για δομές fcc, bcc και hcp fcc και bcc: πολλά συστήματα ολίσθησης -> πλαστική παραμόρφωση φυσιολογικά εφικτή σε πολλά συστήματα -> όλκιμα. hcp : περιορισμένα συστήματα ολίσθησης -> πλαστική παραμόρφωση φυσιολογικά μη εφικτή σε πολλά συστήματα -> ψαθυρά

8 Πλαστική παραμόρφωση σε πολυκρυσταλλικά υλικά Τυχαίος προσανατολισμός μικροκρυστάλλων -> η διεύθυνση ολίσθησης μεταβάλλεται από κόκκο σε κόκκο. Τα πολυκρυσταλλικά υλικά είναι πιο «ισχυρά» από τα αντίστοιχα μονοκρυσταλλικά (απαιτείται μεγαλύτερη τάση για να επέλθει η ολίσθηση/διαρροή) -> Η παρουσία πολλών οριακών επιφανειών των κόκκων και ο γεωμετρικός περιορισμός τους αποτελούν μηχανισμούς ισχυροποίησης (αύξησης της TS). εφελκυσμός Μεταλλικός πολυκρυσταλλικός Cu Πριν τον εφελκυσμό Μετά τον εφελκυσμό

9 Μηχανισμοί ισχυροποίησης Πλαστική παραμόρφωση: κίνηση μεγάλου αριθμού διαταραχών -> ικανότητα πλαστικής παραμόρφωσης ~ ικανότητα κίνησης διαταραχών. Σκληρότητα-αντοχή σε εφελκυσμό ~ ευκολία πλαστικής παραμόρφωσης -> αύξηση αντοχής και σκληρότητας με την μείωση της διάδοσης των διαταραχών. Ο περιορισμός ή η παρεμπόδιση της κίνησης της διαταραχής στα στερεά τα καθιστά σκληρότερα και με μεγαλύτερη αντοχή. Μηχανισμοί Ισχυροποίηση με ελάττωση του μεγέθους των κόκκων διαφορετικοί προσανατολισμοί διευθύνσεων κίνησης της διαταραχής ατομική αταξία στα όρια των κόκκων Ένα «λεπτόκοκκο» υλικό έχει μεγαλύτερη αντοχή από ένα «χονδροκοκκο» επειδή διαθέτει μεγαλύτερο αριθμό κόκκων και κατά συνέπεια οριακών επιφανειών μεταξύ τους με αποτέλεσμα να παρεμποδίζεται αποδοτικότερα η διάδοση των διαταραχών.

10 Ισχυροποίηση με προσθήκη ατόμων πρόσμιξης (στερεού διαλύματος) Πλεγματικές παραμορφώσεις οφειλόμενες στην εισαγωγή των ατόμων πρόσμιξης -> αλληλεπίδραση μεταξύ των διαταραχών και των ατόμων πρόσμιξης -> περιορισμός της κίνησης των διαταραχών. Η αντίσταση στην ολίσθηση μεγαλώνει όταν υπάρχουν άτομα πρόσμιξης στο υλικό επειδή η ολική παραμόρφωση πρέπει ν αυξάνει όταν απομακρύνεται από αυτά. TS άτομο διαλυμένης ουσίας με μικρότερη ατομική ακτίνα: εφαρμογή εφελκυστικών τάσεων στα γειτονικά άτομα σ y άτομο διαλυμένης ουσίας με μεγαλύτερη ατομική ακτίνα: εφαρμογή θλιπτικών τάσεων στα γειτονικά άτομα Cu-Ni

11 Ισχυροποίηση με ενδοτράχυνση ή παραμόρφωση (ψυχρηλασία) σκλήρυνση μεταλλικού υλικού με μηχανική παραμόρφωση σε σχετικά χαμηλή θερμοκρασία) σχηματισμός μεγάλου αριθμού διαταραχών η αντοχή αυξάνει επειδή η κίνηση μίας διαταραχής εμποδίζεται από την παρουσία άλλων διαταραχών. Χάλυβας

12 Ανάκτηση, ανόπτηση, ανακρυστάλλωση και ανάπτηξη κόκκων Ανόπτηση: θερμική επεξεργασία των υλικών σε σχετικά υψηλές θερμοκρασίες. Αρχικά ένα μέρος της αποθηκευμένης εσωτερικής ενέργειας παραμόρφωσης (από την ψυχρηλασία) απελευθερώνεται μέσω της αυτόνομης κίνησης των διαταραχών εξαιτίας της αυξανόμενης ατομικής διάχυσης (διαδικασία ανάκτησης). Όσον αφορά τις μηχανικές ιδιότητες, η διαδικασία της ανοπτησης έχει ως αποτέλεσμα την αλλαγή της μικροδομής του υλικού και την μείωση των διαταραχών. Ανακρυστάλλωση: επόμενο στάδιο της διαδικασίας ανόπτησης στην οποία κατά την θερμική επεξεργασία επέρχεται σχηματισμός νέων μη-παραμορφωμένων κόκκων με ομοιόμορφο σχήμα και μειωμένες διαταραχές Ψυχρηλατημένο (33% CW) Ανόπτηση, 3s στους 580 C

13 Ανάκτηση, ανόπτηση, ανακρυστάλλωση και ανάπτηξη κόκκων Ανακρυστάλλωση Ανόπτηση, 4 s στους 580 C, μερική ανακρυστάλλωση Ανόπτηση, 8 s στους 580 C, πλήρης ανακρυστάλλωση

14 Ανάκτηση, ανόπτηση, ανακρυστάλλωση και ανάπτηξη κόκκων Ανάπτυξη μεγέθους κόκκων Ανόπτηση, 15 min στους 580 C, ανάπτυξη μεγέθους κόκκων Ανόπτηση, 10 min στους 700 C, ανάπτυξη μεγέθους κόκκων Τ ανακρυστάλλωσης : θερμοκρασία στην οποία η ανακρυστάλλωση ολοκληρώνεται σε χρονική διάρκεια 1 h περεταίρω ανάπτυξη μεγέθους κόκκων για Τ > Τ ανακρυστάλλωσης ή/και για μεγαλύτερο χρόνο ανόπτησης

15 Ανάκτηση, ανόπτηση, ανακρυστάλλωση και ανάπτηξη κόκκων Zn-Cu Ανακρυστάλλωση Θερμοκρασία ανακρυστάλλωσης θερμοκρασία επίτευξής της σε χρονικό διάστημα 1 ώρας θερμικές κατεργασίες πλαστικής παραμόρφωσης: Τ > Τ ανακρυστάλλωσης

16 Ανάκτηση, ανόπτηση, ανακρυστάλλωση και ανάπτηξη κόκκων Ανάπτυξη κόκκων διαδικασία ατομικής διάχυσης στην ανάπτυξη κόκκων Zn-Cu: ανάπτυξη μεγέθους κόκκων με τον χρόνο σε διάφορες θερμοκρασίες ανόπτησης