Deformarea Plastica Si Ruperea Materialelor Metalice

  • View
    269

  • Download
    7

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Capitol din disciplina Stiinta si Studiul Materialelor.

Text of Deformarea Plastica Si Ruperea Materialelor Metalice

2

2. DEFORMAREA PLASTIC I RUPEREA MATERIALELOR METALICE

2.1. Imperfeciuni (defecte) n structura materialelor metalice

2.1.1. Cristale ideale i cristale reale

Noiunile de reea cristalin i cristal prezentate n capitolul precedent considerau c structura cristalelor este perfect i c atomii din edificiul cristalin nu prezint nici un fel de abatere de la o distribuie ordonat, ideal. n realitate, cristalele metalice prezint ns numeroase abateri de la distribuia ordonat, ideal, a atomilor reelei cristaline, fapt ce explic, de exemplu, de ce un cristal real (cristal perfect), are o rezisten la rupere de 1001000 de ori mai mic dect cea calculat pe baza forelor de coeziune dintre atomii unui cristal ideal, perfect.Aceste diferene au impus acceptarea teoriei conform creia, n realitate, cristalele prezint diferite abateri de la distribuia ordonat a atomilor reelei cristaline. Astfel de abateri se numesc imperfeciuni sau defecte de reea iar cristalele respective se numesc cristale reale.Explicarea diferenelor de rezisten menionate, pe baza imperfeciunilor de reea, a fost confirmat i experimental. In afara tehnicilor care au permis punerea n eviden a acestor imperfeciuni de reea, experimentele de laborator efectuate pe monocristale filiforme (cristale unice, cu diametrul de civa mm. i lungimi de civa mm., numite i whiskers - musti) au relevat rezistene foarte mari (apropiate de rezistena calculat pe baza coeziunii atomice), rezistena ridicat a acestora fiind astfel determinat de lipsa imperfeciunilor de reea.

Pe lng imperfeciunile de reea, n cristalele reale pot exista i alte tipuri de imperfeciuni ca oscilaiile termice ale atomilor (ionilor) reelei cristaline sau imperfeciunile electronice la scar subatomic.

Deoarece imperfeciunile de reea prezint o importan deosebit pentru studiul proprietilor metalelor i aliajelor metalice, acestea vor fi prezentate mai detaliat n cele ce urmeaz.

2.1.2. Defecte ale reelei cristaline

Din punct de vedere pur geometric imperfeciunile (defectele) de reea ale cristalelor reale se clasifica n trei categorii distincte:

imperfeciuni punctiforme;

imperfeciuni liniare;

imperfeciuni de suprafa.

Defectele de reea au un rol important n determinarea unora dintre proprietile metalelor. Astfel, proprietile dependente de imperfeciuni sunt limita de curgere, rezistena la rupere, rezistena la fluaj, viteza de difuziune etc.; iar proprietile independente de imperfeciuni structurale sunt constantele elastice, cldura specific, densitatea, coeficientul de dilatare termic etc.

2.1.2.1. Defecte punctiforme

Defectele punctiforme principale din reelele metalice sunt: vacanele (lacunele), atomii interstiiali i impuritile. Vacanele sau lacunele sunt locuri atomice ale unei reele cristaline care nu au fost ocupate de atomi (fig. 2.1 a).

Atomii interstiiali sunt atomii de aceeai natur cu atomii reelei cristaline dar care ocup poziii interstiiale n reeaua respectiv (fig. 2.1 b).

Impuritile sunt atomi de alt natur (atomi strini), dect cei care alctuiesc reeaua cristalin de baz i care ocup poziii interstiiale n reea sau substituie atomii metalului de baz (fig. 2.1 c).

Existena sau formarea defectelor punctiforme provoac distorsionri ale reelei cristaline (i ca urmare modificri energetice), ele constituind centre de contracie sau dilataie local a acesteia.

Defectele punctiforme se pot deplasa in reeaua cristalin sub aciunea unei energii termice, de deformare etc., deplasarea avnd loc din aproape n aproape. Difuziunea n metale de exemplu, implic deplasri ale unui mare numr de defecte punctiforme n reea.

n baza unor considerente de echilibru energetic s-a putut calcula c numrul vacanelor dintr-un atomgram de substan este de cca.1018 la temperatura de 1.000K (la aproximativ 100.000 poziii atomice se nregistreaz o vacan).

2.1.2.2. Defecte liniare

Imperfeciunile (defectele) liniare prezint o importan deosebit pentru procesele de deformare plastic i rupere a metalelor i aliajelor metalice i reprezint regiunea de perturbri, localizate ale reelei, care separ zonele dintr-un cristal n care s-a produs o alunecare de zonele n care aceasta nu s-a produs. Defectele liniare sunt numite curent dislocaii i se deosebesc dup tipuri principale de astfel de defecte: dislocaiile marginale (dislocaii liniare) i dislocaiile elicoidale.

2.1.2.2.1. Dislocaii marginale

Dislocaia marginal poate fi privit simplificat ca fiind o urmare a existenei unui semiplan atomic suplimentar ntr-un cristal ideal n care s-a produs o alunecare parial (fig. 2.2). Limita dintre zona din partea dreapt a cristalului n care s-a produs alunecarea i zona din partea stng a cristalului, n care alunecarea nu s-a produs, este linia AB, numit linie de dislocaie marginal. Toate punctele din partea superioar suprafeei ABCD au fost deplasate, mrimea i sensul deplasrii fiind exprimate prin vectorul de alunecare sau vectorul Burgers b al dislocaiei i care, pentru o dislocaie marginal pur prezentat n figura 2.2, este egal cu o distan interatomic.

O caracteristic care definete dislocaia marginal este aceea c vectorul Burgers este ntotdeauna perpendicular pe linia de dislocaie AB.

Dislocaiile marginale pozitive se consider atunci cnd semiplanul atomic suplimentar se gsete deasupra planului de alunecare ABCD (notare simbolic (), respectiv dislocaiile marginale negative se consider atunci cnd semiplanul atomic suplimentar se gsete sub planul de alunecare (notare simbolic T ).

Planul atomic suplimentar AEFB determin o deformare elastic a reelei cristaline i aceast deformare, cuprins ntre zero i o distan atomic, se resimte pe o zon de 510 distane interatomice astfel c prin dislocaie se nelege de fapt ntreaga regiune din jurul liniei AB (numit, pentru simplificare, dislocaie), n care reeaua este deformat. Linia AB reprezint astfel doar centrul dislocaiei.

2.1.2.2.2. Dislocaii elicoidale

Dislocaia elicoidal, numit i dislocaie n urub, este o dislocaie la care direcia de alunecare (vectorul Burgers b), este paralel cu linia dislocaiei. n figura 2.3, se prezint un exemplu simplu de dislocaie elicoidal obinut prin deplasarea n direcia de alunecare, a prii superioare a cristalului situat la dreapta liniei de dislocaie AB.

Linia AB separ astfel, pe planul de alunecare, partea de cristal care a alunecat de partea care nu a alunecat. O astfel de dislocaie se numete elicoidal sau n urub deoarece atomii din jurul ei sunt distribuii dup forma spirei unui urub elicoidal: pornind din P pe un traseu n jurul liniei de dislocaie AB, se ajunge n P' ntr-un plan atomic aflat n spatele celui corespunztor punctului P, traseul urmat fiind elicoidal i orientat spre dreapta (ruta DPAPD ).

n figura 2.3 b se prezint poziia atomilor n jurul unei dislocaii elicoidale localizate ntr-o reea cubic simpl. Planul figurii este paralel cu planul de alunecare iar cercurile goale i cele pline reprezint atomii aflai deasupra i respectiv sub planul de alunecare ABCD.2.1.2.3. Defecte de suprafa

Imperfeciunile (defectele) de suprafa prezint o mare varietate dar din punct de vedere al influenei asupra proprietilor mecanice sunt luate n considerare, de regula, doar dou tipuri: limitele i sublimitele dintre gruni.

2.1.2.3.1. Limite

Limitele dintre grunii unui agregat policristalin reprezint zona de legtur ntre cristalite. Deoarece, n general, diferena de orientare cristalin este mare de la un grunte la altul, aceste limite se numesc i limite la unghiuri mari. Distribuia atomilor la limitele cristalitelor poate fi considerat ca aparinnd unuia din cele trei tipuri prezentate n figura 2.4, fr a se putea preciza care dintre acestea corespunde realitii. Independent ns de tipul luat n considerare, limitele dintre gruni reprezint zone cu energie mare datorit neechilibrrii forelor interatomice i aceasta are o serie de consecine practice: sistemele policristaline tind s-i micoreze energia prin micorarea suprafeelor limitelor cristaline (proces ce se realizeaz prin contopirea i creterea grunilor), limitele dintre gruni constituie zona preferenial de acumulare a impuritilor, reaciile chimice sunt mult mai energice la limitele grunilor dect n interiorul acestora etc.

2.1.2.3.2. Sublimite

Sublimitele sunt defecte de suprafa care apar chiar n interiorul gruntelui cristalin. Astfel, s-a dovedit experimental c reeaua atomic a unui grunte cristalin prezint abateri prin formarea de mici blocuri spaiale care fac ntre ele unghiuri mici, de ordinul minutelor. Aceste blocuri au dimensiuni de ordinul a 10-4 10-6 cm, sublimitele fiind formate de fapt dintr-o serie de dislocaii marginale aezate una sub alta. Aceast structur determinat de existena sublimitelor se numete structur n mozaic (fig. 2.5).

O reea de sublimite se poate obine prin deformare plastic la rece (110%) i recoacere la temperaturi relativ sczute pentru a nu avea 1oc procesul de recristalizare. Prin deformare se genereaz un mare numr de dislocaii marginale de acelai semn care, la recoacere, se aeaz una sub alta pe planele de alunecare formnd o reea poligonal de sublimite sau limite la unghiuri mici (fig. 2.6.). Acest proces de obinere a sublimitelor prin deformare plastic la rece i recoacere ulterioar se numete poligonizare, dup forma pe care o iau planele de alunecare.

2.2. Deformarea plastic a materialelor metalice

2.2.1. Tensiuni i deformaii

Aplicarea unor sarcini exterioare asupra unui corp determin deformarea sau chiar ruperea acestuia. Deformarea poate s aib un caracter nepermanent, corpul revenind la structura i forma iniial dup ncetarea aplicrii sarcinii sau poate sa aib un caracter permanent, deformarea meninndu-se i dup ndeprtarea sarcinii exterioare. n primul caz avem o deformare elastic iar n cel de-al doilea caz o deformare plastic. Pe lng aceste