Defekti kristalne resetke

Mainski materijali - Dr Dragan Adamovic 1

Mainski materijali- Predavanje (AS) 2aaab

Defekti kristalne reetke


Osnovni principi kristalografije, vae samo za kristalografske strukture, koje su geometrijski potpuno pravilne. Takvu strukturu imaju samo idealni kristali. U tehnikoj praksi sreemo se sa realnim kristalima, u ijoj kristalnoj gradji se pojavljuju razliita odstupanja - greke reetke. Realni metali i isti metali sadre uvek odredjenu koliinu atoma stranih elemenata (ma i neznatnu).

Struktura realnih metala

Ti strani atomi (neistoe) mogu biti smeteni bilo u intersticijske prostore reetke osnovnog metala ili na vornim takama reetke gde zamenjuju neke atome osnovnog metala. Poto osobine i veliine atoma razliitih elemenata nisu iste, to prisustvo atoma odredjenog elementa u reetki drugog metala uvek ima manji ili vei uticaj na savrenost datog tipa kristalne reetke. Ta vrsta defekta smatra se za hemijsku greku.


Pored ove nesavrenosti izazvane prisustvom stranih atoma, mogu se kristalne reetke prostorno rasporedjenih osnovnih atoma razlikovati na pojedinim mestima od oekivanih i bez uticaja stranih atoma. Te oblasti u kojima raspored osnovnih atoma ne odgovara idealnom smatraju se strukturnim grekama.

Strukture vrstih materija


Monokristali i polikristali Kristalne materije se mogu podeliti na dve grupe, na:

monokristale i

polikristale.

Metalni monokristal predstavlja zapreminu metala u kojoj je orijentacija kristala jednoznana. Izradjuju se danas kao tzv. vlaknasti kristali i masivni monokristali.

Vlaknasti kristali imaju prenik nekoliko mikrometara, a duinu do nekoliko centimetara. U dananje vreme to su najsavreniji kristali, koje moemo dobiti. Imaju veoma mali broj defekata, a njihova jaina se pribliava teorijskoj vrednosti jaine metala sa idealnom kristalnom reetkom.

Npr. ve su izradjeni vlaknasti kristali (viskeri) gvodja, ugljenika, srebra, zlata, bakra, nikla, kalaja, cinka itd. Idealan

kristal


Masivni monokristali imaju prenike nekoliko santimetara, duinu nekoliko desetina santimetara. U poredjenju sa vlaknastim kristalima, njihova unutranja gradja nije tako savrena. Masivni monokristal je sloen od (blokova) delia prenika obino 3 do 5 mm, tzv. subzrna. U pojedinim subzrnima je unutranji raspored kristalnih reetki pravilan, dok se uzajamna orijentacija susednih subzrna ipak neznatno razlikuje.

Lopatica turbine napravljena od masivnog monokristala

Masivni Monokristal Si

Orijentacija zrna u monokristalu


Tena fazaTena faza Granice metalnogzrna

Jezgrakristalizacije

Kristali od kojih seformira metalno zrno

Metalna zrna

Polikristalne materije nastaju iz velikog broja centara kristalizacije. Orijentacija reetki susednih zrna je razliita pa je zato prelazni sloj izmedju susednih zrna oblast sa izrazitim naruavanjem kristalne gradje i naziva se granica zrna. Veliina zrna je vana metalografska karakteristika polikristalnih materijala. Materijali sa sitnijim zrnima imaju obino bolje mehanike osobine (jainu, tvrdou, ilavost) nego krupnozrnasti materijali.

Shema kristalizacije metala Orijentacija zrna u polikristalu

Granicezrna


Strukturne greke

Strukturni defekti predstavljaju odstupanja od pravilnog geometrijskog

rasporeda atoma kristalne reetke.

Ti defekti posebno utiu na mehanike i fizike osobine metalnih

materijala. Od vrste, koliine i uzajamne interakcije izmedju razliitih

vrsta defekata zavise takodje procesi koji se deavaju u metalnim

materijalima pri plastinoj obradi i termikoj obradi. Prema

geometrijskom obliku mogu se strukturni defekti podeliti na nekoliko

grupa:


Vakancije Intersticijski atomi Substitucijski atomi otkijev defekt Frenkelov defekt

Dislokacije

Granice subzrna Granice zrna Greke slaganja

Takaste greke

Linijske greke

Povrinske greke

Zapreminske greke Pore, pukotine, ukljuci

Podela strukturnih greaka


Takaste (bezdimenzijske) greke su najjednostavnije greke kristalne reetke.

Nastaju npr. ozraivanjem metala esticama visoke energije (npr. neutronima), kao i zbog zagrevanja metala do visokih temperatura (bliskim temperaturi topljenja), pa brzog hladjenja i prerade metala plastinom deformacijom.

Takaste greke


Takasti defekti u strukturi mogu biti oblika:

Vakancija (upranjena mesta u reetki)

Atoma zamene (supstitucija) Atoma popune (intersticija)

Iskrivljenost kristalne reetkeNa mestima takastih greaka


Atom zamene(substitucija)

Atom popune(intersticija)

Primeri:

Substituciono legiranje(npr. Cu u Ni)

Substitucija i intersticija

Intersticiono legiranje(npr. C u Fe)


Vakancije Vakantan (lat.), upranjen, prazan

Nedostajanje atoma na mestu gde se normalno oekuje da postoji nazivamo vakancijom.

Vakancije mogu nastati dejstvom toplotne energije, zbog poremeaja u rastu kristala i zbog neravnotee u naelektrisanju. Dobiju li estice u povrinskom sloju kristala dovoljnu energiju (npr. toplotnu), oslobadjaju se iz svoje vorne take u reetki i zaposedaju vorne take na slobodnoj povrini kristala. Oslobodjena vorna taka ostaje nepopunjena-stvorena je vakancija.

0 1 2 3 4 5 6 104

700

600

500

400

300

T

e

m

p

e

r

a

t

u

r

a

,

C

Koncentracija vakancija

Zavisnost koncentracije vakancija Od temperature


Vakancije u kristalnoj reetki nisu vezane za odredjeno mesto, ve se mogu (pri viim temperaturama) kroz kristal pomerati (migracijavakancija). Ta je migracija vezana za prelaenje estica (atoma); npr. vakantno mesto se pomeri iz jednog poloaja u drugi, a njegov prvobitni poloaj zauzme susedni atom. Od ovakvih elementarnih pomeranja vakantnih mesta sastoji se njihova migracija kroz kristal. Vakancije se premetaju na mesta gde mogu biti apsorbovane; takva su mesta npr. slobodne povrine kristalne supstance, granice zrna u polikristalima i sl.. Nasuprot tome, ako se metal lokalno zagreva, deluju i te oblasti kao izvori vakancija iz kojih one migriraju do okolne mase. Koncentracija vakancija utie na mnoge vrste termike obrade (arenje, taloenje-precipitaciju i dr.), jer olakava premetanje estica-difuziju, koja ove naine termike obrade prati.

Migracija vakancija


Migracija Vakancija(animacija)


Frenkelov i otkijev defekt:

Katjon-vakancija + Katjon-intersticijal = Frenkelov defekt Katjon-vakancija + Anjon-vakancija = otkijev defekt

otkijevdefekt

Frenkelov defekt

otkijev defekt

Ova greka se javlja u uravnoteenoj jonskoj reetki u kojoj istovremeno nedostaju anjon (+) i katjon (-)

Par vakance i intersticijalne estice u susednom poloaju naziva se Frenkelova greka. Obadve komponente Frenkelove greke mogu se samostalno premetati kroz kristal, tako da nastaju dve nezavisne greke (vakancija i intersticijalne estice).

Frenkelov defekt

Takaste greke imaju veliki uticaj na fizike osobine metala (npr. na elektrini otpor) kao i na mehanike osobine metala (npr. na tvrdou).


Linijske greke (dislokacije) Jednodimenzijske greke - dislokacije - nastaju nagomilavanjem niza takastih defekata.

Dislokacije se definiu pomou Burgersove putanje (petlje), koja je za perfektan kristal prikazana na. Ako se podje iz poetne take () i predje etiri medjuatomna rastojanja u pozitivnom pravcu ose x, i zatim u pravcu ose y, pa onda nastavi u suprotnom smeru dolazi se u poetnu poziciju. Kae se da je Burgersova putanja zatvorena.

Suprotno tome, Burgersova putanja na delu kristala koji sadri dislokaciju nee biti zatvorena. Vektor potreban da se putanja zatvori, usmeren od zavrne pa do poetne take zove se Burgersov vektor.

Burgersov vektor

Burgersova kontura


Prema medjusobnom poloaju Burgersovog vektora i tzv. dislokacione linije, razlikuju se: ivine i zavojne dislokacije

Ivina dislokacija

Ako se na idealnu reetku deluje silom smicanja bie potreban relativno visok napon za pomeranje gornjeg sloja atoma. U sluaju kad u kristalu postoje dislokacije (realni kristali) medjuatomne veze su slabije, te se jedan sloj atoma lake pokree, tj. napon teenja znatno je nii.

klizanje ravanklizanja

silasmicanja


Ova greka kristalne reetke nastaje zbog formiranja ekstra ravni smetene izmedju redovnih vertikalnih ravni. Zavrni red atoma umetnute poluravni obrazuje dislokacionu liniju. Burgersov vektor upravan je na dislokacionu liniju, obeleenu sa znakom . Vodoravna crtica oznaava poloaj dislokacione ravni, a vertikalna se odnosi na ekstra poluravan.

Idealankristal

Ekstra ravan

Ivina dislokacija

Dislokaciona linija


Ivina dislokacija

Smiui napon

Burgersovvektor = b

Analogija gusenice

Linijaklizanja


Ivina dislokacija

Ivina dislokacija praena je promenom naponskog stanja u oblasti oko ekstra ravni. Iznad ravni klizanja pojavljuje se oblast sa pritisnim naponima, dok se ispod ravni klizanja pojavljuju naponi zatezanja

Pritisak

Zatezanje

Naponsko polje kod ivine dislokacije


Ivina dislokacija - animacija


Idealan kristalZavojna dislokacija

Ravan seenja iSmicanja atoma

Zavojna dislokacija

Zavojna dislokacija nastaje kao smicanje u ravni klizanja, tako da je najvee pomeranje, odnosno deformacija na poetku i ta deformacija opada do nule.


Burgersovvektor

Pravac zavojne dislokacije

b Put kretanjazavrtnja

Zavojna dislokacionalinija


Zavojna dislokacija - animacija


Nastajanje ivine u zavojne dislokacije

Smiui napon

Smiui napon

Ivina

Zavojna


Meana (sloena) dislokacija

Kombinovanjem ivine i zavojne dislokacije dobija se meana (sloena) dislokacija,koja ima ivinu i zavojnu komponentu.

Zavojna

Ivina


Linijske greke : Burgersovi vektori

Idealan

kristalIvina dislokacija

Zavojna dislokacija

Meana dislokacija


Fiziki izgled dislokacije

Dislokacionelinije

0.5 m 0.5 0.5 m m


Ravanske greke (povrinske)U poredjenju sa takastim i linijskim grekama, ravanske (povrinske) greke predstavljaju sloenije naruavanje kristalne reetke koje zahvata veu zapreminu metala. Tu spadaju

granica subzrna,

granice zrna i

greke u slojevima.

povrina

Mali ugao

Veliki ugao

Granicezrna


Granice zrna

Razliita usmerenost kristala u tri susedna zrna.

Granice zrna su zone izmeu zrna

Granicezrna


Granice subzrna

Mali ugao

Granicezrna

Granice subzrna (bloka) jesu granice izmedju oblasti sa uzajamno malom razlikom u orijentaciji kristalne reetke. Pri malim razlikama u orijentaciji, struktura granica je relativno savrena i ni u emu nije naruena osim ravnomerno rasporedjenim ivinim dislokacijama, koje se nalaze izmedju susednih subzrna. Govorimo zato o tzv. dislokacionim granicama (ili takodje o granici sa malim uglom, ponekad o sredjenoj granici).

Granice zrnasa malim uglom


Ako se nekoliko atomskih ravni zavrava u graninoj oblasti i tako obrazuje niz ivinih dislokacija sa Burgersovim vektorom b, medjusobno udaljenih za duinu d; susedne mree izmedju sebe zaklapaju ugao . to se vie razlikuju orijentacije mree, tj. to je vei ugao , tim se udaljenost izmedju susednih dislokacija smanjuje - dislokacije se zgunjavaju (ugao dezorijentacije ovakve granice je sin b/D).

Nagib

d

b

sin~ =b/d

Granice subzrna, tj. granice sa malim uglovima, imaju znatan uticaj na mehanike osobine metala i legura


Granice zrna

Ako poraste razlika u orijentaciji (ugao ) dvaju susednih zrna dislokacije se medjusobno pribliavaju, da bi se najzad poele prekrivati; i granice postaju neuredjenog karaktera. Takve granice zrna, tada se nazivaju granice sa velikim uglom, jer je to oblast sa relativno velikom koncentracijom takastih i linijskih greaka, to znai oblasti sa izrazitim naruavanjem pravilnosti kristalne gradje.

Veliki ugao Granice

zrna

To je najei tip granica u polikristalu. U metalima tehnike istoe, naroito u legurama dva ili vie metala, koliina greaka u oblasti granice zrna je jo vea nego kod istih metala. Tu su esto koncentrisani atomi razliitih elemenata, koji smanjuju savrenost uredjenja kristalne gradje.


Granice zrna imaju veliki uticaj na hemijske, fizike i mehanike osobine metala i legura.

Npr. hemijske reakcije-korozija, oksidacija -odvijaju se prvenstveno po granicama zrna.

Kao posledica veeg stepena naruavanja kristalne gradje, takodje je i difuzija po granicama zrna bra negu unutar zrna.

Temperatura topljenja granica zrna je nia nego u delu kristala sa pravilnim rasporedom atoma, te se metali i legure poinju topiti na granici zrna.

Kretanje dislokacija, koje je osnovni mehanizam za plastinu deformaciju metala i legura obino se zaustavlja na granicama zrna.

Granice zrna (neuredjene granice)


Trei tip ravanskih defekata nastaje zbog nepravilnog slaganja pojedinih slojeva. Atomi u ravni ili u delu ravni kristala mogu zauzeti poloaje koji ne odgovaraju redosledu datog sloja u reetki. Ako je jedan deo ravni izbaen, ubaen ili pak pomeren javljaju se defekti u slojevima koji su opkoljeni savrenom reetkom i od nje su odvojeni linijskim defektima - dislokacijama.

Greke u slojevima

Zapreminske greke

Zapreminske greke su vrlo sloene i njihovo prouavanje prevazilazi okvire ovog kursa.

U zapreminske greke spadaju:

pore pukotine i ukljuci

Podela strukturnih greakaLinijske greke : Burgersovi vektori

Documents

Defekti kristalne resetke