Umocnienie metali przez cząstki drugiej fazy Umocnienie wydzieleniowe i dyspersyjne

1. Umocnienie metali przez cząstki drugiej fazyUmocnienie wydzieleniowe i dyspersyjne Stopy, w których objętość fazy dyspersyjnej nie przekracza 10%, a rozmiary cząstek są rzędu 100102 nm. • Umocnienie wydzieleniowe – przez małe odkształcalne cząstki koherentne (i półkoherentne) powstałe w wyniku starzenia przesyconych roztworów stałych – słabe przeszkody dla ruchu dyslokacji • Umocnienie dyspersyjne – przez duże nieodkształcalne cząstki niekoherentne (najczęściej niemetaliczne)- silne przeszkody dla ruchu dyslokacji

2. Umocnienie metali przez cząstki drugiej fazyUmocnienie wydzieleniowe i dyspersyjne Schematyczne przedstawienie powstawania wydzielenia w przesyconej osnowie.

3. Umocnienie metali przez cząstki drugiej fazyUmocnienie wydzieleniowe i dyspersyjne Schemat powstawania wydzieleń w przesyconej osnowie (a, b) i ich wzrost (od c do f)

4. Umocnienie metali przez cząstki drugiej fazyUmocnienie wydzieleniowe i dyspersyjne Wykres równowagi Al-Cu i powiększony fragment z zaznaczonym stopem Al-5%Cu

5. Umocnienie metali przez cząstki drugiej fazyUmocnienie wydzieleniowe i dyspersyjne Mikrostruktura stopu Al.-5%Cu przesycanego w temperaturze 545°C i starzonego przez 12 godzin w T = 400°C - a) i 300°C – b). a)-obraz z mikroskopu swietlnego; b) – obraz z SEM

6. Umocnienie metali przez cząstki drugiej fazyUmocnienie wydzieleniowe i dyspersyjne Mikrofotografie z transmisyjnego mikroskopu elektronowego (TEM) pokazujące powstawanie wydzieleń fazy  w stopie Al-4,6%Cu z upływem czasu wyżarzania (od lewej do prawej).

7. Oddziaływanie dyslokacji z cząstkami Z odkształcalnymi (małymi i koherentnymi) cząstkami: • „Przecinające” (poruszająca się dyslokacja przecina cząstkę ): - Umocnienie koherencyjne przez pola naprężeń powstałe wokół koherentnej cząstki, • Umocnienie w wyniku różnicy modułów sprężystości poprzecznej cząstki i matrycy, • Umocnienie chemiczne w wyniku utworzenia dodatkowej powierzchni międzyfazowej cząstka-matryca, • Umocnienie przez cząstki uporządkowane - przez tworzenie powierzchni antyfazowej w uporządkowanej cząstce, • Umocnienie w wyniku różnej energii błędu ułożenia (EBU) w cząstce i osnowie. Z nieodkształcalnymi (dużymi i niekoherentnymi) cząstkami: • „Omijające” (dyslokacja wygina się pomiędzy cząstkami, pozostawiając wokół cząstki po jej ominięciu pętlę dyslokacyjną) – „mechanizm Orowana”

8. Oddziaływanie przecinające – dyslokacja i słabe przeszkody

9. Oddziaływanie przecinające – dyslokacja i słabe przeszkody

10. Oddziaływanie przecinające – dyslokacja i słabe przeszkody Dyslokacje mogą przecinać cząstki (i pola naprężeń wokół nich ): Im więcej jest cząstek i im są większe tym większe siły (naprężenia) są potrzebne do ich przecięcia.

11. Oddziaływanie omijajace – dyslokacje i silne przeszkody

12. Oddziaływanie omijajace – dyslokacje i silne przeszkody

13. Oddziaływanie omijajace – dyslokacje i silne przeszkody Im większe są odstępy pomiędzy cząstkami tym łatwiej przeciskają się dyslokacje przez szczeliny. . Każde ominięciepozostawia za sobą pętlę dyslokacyjną – zawężającą szczelinę pomiędzy cząstkami Wpływ na stopień umocnienia odkształceniowego (przez zgniot).

14. Oddziaływanie przecinające – umocnienie koherencyjne Pola odkształceń wokół stref Guinier-Prestona miedzi (Cu) w aluminium (Al) Małe wydzielenia koherentne z osnową. Wszystkie płaszczyzny sieciowe, zawierające płaszczyznypoślizgu są ciągłe (niezmienione) Gdy dyslokacja przechodzi przez wydzielenie; inne parametry sieciwydzieleniapowodują, ze wokół niego powstaje pole naprężeń (o stosunkowo dalekim zasięgu) Pole to oddziałuje bezpośrednio z polem naprężeń wokół dyslokacji. ∆τ ~ 2 G ε f ε = niedopasowanie odkształceniowe, f = udział objętościowy wydzieleń

15. Oddziaływanie przecinające - Umocnienie w wyniku różnicy modułów sprężystości poprzecznej Energia dyslokacji zależy od modułu G ośrodka w którym się znajduje E= Gb2; gdzie: 0,51,0 Różnica modułów osnowy Gm i cząstki Gp powoduje, że do przecięcia cząstki przez dyslokację niezbędne jest dodatkowe naprężenie: G  ½ G f  ; gdzie:  = Gp-Gm/Gm,; f – udział objętościowi wydzieleń

16. Oddziaływanie przecinające – umocnienie chemiczne Przecięcie cząstki przez dyslokację powoduje wzrost powierzchni międzyfazowej (w przypadku cząstki kulistej o 2Rb).

17. Oddziaływanie przecinające – umocnienie chemiczne Energia powierzchniowa = (4πr2 + 2πrb)γ ; gdzie:  - energia jednostkowa powierzchni międzyfazowej pomiędzy cząstka a osnową Wzrost umocnienia wyrażony wzrostem naprężenia: chem f/2b gdzie: f – udział objętościowy wydzieleń

18. Oddziaływanie przecinające –Umocnienie w wyniku różnej energii błędu ułożenia (EBU) Energia błędu ułożenia (EBU) wydzielenia jest mniejsza niż osnowy: Szerokość błędu wzrasta; Energia sprężysta jednostkowa dyslokacji  Całkowita energiadyslokacji w cząstce  Energia błędu ulożenia (EBU) wydzielenia jest większa niż osnowy: Szerokość błędu zmniejsza się: Jednostkowa energia sprężysta dyslokacji Całkowita energia dyslokacji w cząstce W każdym przypadku, wydzielenia umacniają stop.

19. Oddziaływanie przecinające - Umocnienie przez cząstki uporządkowane “Superstopy” są klasycznym przykładem tego umocnienia Kluczowym składnikiem ich struktury jestfaza (Ni, Fe)3Al: γ`. We współczesnym superstopie może być ok.. 60 - 85% γ` Nikiel jest swoistym spoiwem utrzymującym fazyγ`razem.

20. Oddziaływanie przecinające - Umocnienie przez cząstki uporządkowane Dyslokacja przecinając cząstkę uporządkowaną “burzy” porządeki powoduje powstawanie w obrębie cząstki granicy antyfazowej oraz związanej z nią powierzchni antyfazowej. Z utworzeniem powierzchni antyfazowej jest związana dodatkowa energia tzw. energia powierzchni granicy antyfazowej - a Energia dyslokacji przechodzącej przez cząstkę jest zwiększona o energię PGA. Cząstki uporządkowane podwyższają w ten sposób naprężenie potrzebne do ruchu dyslokacji. Dodatkowe naprężenie potrzebne do przecięcia cząstek uporzadkowanych: PGA   (EPGA) f / 2b gdzie: EPGA – energia powierzchniowa granicy antyfazowej; f – udział objętościowy wydzieleń

21. Oddziaływanie omijające – mechanizm Orowana Silne przeszkody – nieodkształcalne i twarde cząstki Wydzielenia są bardzo efektywnymi blokadami dla poruszających się dyslokacji jeśli: • są uporządkowanymi związkami międzymetalicznymi – z silnymi ukierunkowanymi wiązaniami (np. CuAl2 w stopach Al, Ni3Al w superstopach na bazie Ni, Fe7Mo6 stalach maraging) • są (prawie) związkami o wiązaniach kowalentnych (np. Fe3C, WC, AlN w stalach, MoSi2 w stopach Al) • mają wyraźną granicę fazową z osnową, • mają silne wokół siebie pola naprężeń wskutek niedopasowania z siecią osnowy, • są duże i dlatego trudne do przecięcia. •Jednakżewiększe cząstki to jednocześnie mniejsza ich ilość i większe odległości miedzy nimi w osnowie .

22. Oddziaływanie omijające – mechanizm Orowana Ilustracja mechanizmu Orowana

23. L-2r (m) (MPa) 0.01 2250 Czy wykonalne? 0.1 225 użyteczne 1 22.5 Nic nie znaczący wzrost umocnienia 10 2.25 Oddziaływanie omijające – mechanizm Orowana Wzrost krytycznego naprężenia stycznego związanego z omijaniem cząstek przez poruszające się dyslokacje: Dla stali: G = ~ 90 GPa; b = ~ 0.25 nm

24. Krytyczne naprężenie styczne - stopień umocnienia cząstkami drugiej fazy Krytyczne naprężenie styczne dla mechanizmu przecinania cząstek: Krytyczne naprężenie styczne dla mechanizmu omijania cząstek (Orowana): gdzie:  - stała proporcjonalności; b- wektor Burgersa; f – udział objetościowy cząstek; R – promień cząstki; G- moduł sprężystości poprzecznej Stopień umocnienia stopu cząstkami drugiej fazy (mierzony krytycznym naprężeniem stycznym 0) o określonej wielkości (R) jest proporcjonalne do f1/2. Przy stałym f umocnienie stopu jest powodowane przez wzrost wielkości cząstek koherentnych (0~ R1/2) lub zmniejszenie cząstek omijanych mechanizmem Orowana (0~ 1/R).

25. Oddziaływanie dyslokacji z wydzieleniami podczas starzenia stopu Al-Cu