Imperfectiuni in cristale

IMPERFECTIUNI IN CRISTALE

Rezistentele teoretice si tehnice ale materialelor metalice

Valoarea teoretica a rezistentei de rupere prin smulgere a unui material metalic se poate deduce prin calcul, tinand seama de fortele de coeziune interatomice. Pentru determinarea rezistentei teoretice de rupere poate fi folosit modelul ionic din figura 2.8

Figura 2.8 Modelul atomic pentru calculul rezistentei teoretice a metalelor

Considerand o solicitare la intindere intr-o singura directie, provocata de fortele F, ruperea se produce in planul AB. Intr-o prima aproximatie, forta opusa de o pereche de ioni de semn contrar situati de o parte si de alta a planului AB va fi:

unde e este sarcina electrica a unui ion iar d - distanta dintre ioni.  Fiecare pereche de ioni isi exercita influ­enta in planul de ru­pere pe o suprafata aproximativ egala cu d² si astfel poate fi determinata rezisten­ta teoretica de rupere RT:

Inlocuind valorile numerice rezulta:

In practica insa nu se inregistreaza la nici un material metalic astfel de rezistente ridicate. In mod normal materialele metalice utilizate in constructia de masini prezinta rezistente cuprinse intre 10 si 200 daN/mm², adica de 25 - 500 de ori mai mici decat rezistenta stabilita teoretic. Aceste diferente se explica prin aceea ca la calculul teoretic al rezistentei materialului metalic se porneste de la modelul unui cristal ideal, cu o retea cristalina perfecta. De fapt aceasta situatie nu exista in realitate, cristalele reale prezentand numeroase imperfectiuni structurale, acestea determinand scaderea accentuata a rezistentei mecanice.

Cea mai pronuntata influenta asupra rezistentei o au fisurile interne sau superficiale, chiar daca acestea sunt de dimensiuni microscopice. Sub influenta unor sarcini exterioare, la limitele acestor fisuri se produce o concentrare a tensiunilor, cu atat mai accentuata cu cat dimensiunile fisurilor sunt mai mari in raport cu sectiunea piesei. Desi sarcinile aplicate piesei au valori specifice relativ scazute, se produce totusi ruperea deoarece in locurile de concentrare a tensiunilor, rezistenta teoretica a fost deja depasita.

Pe langa aceste defecte mai exista si altele toate afectand proprietatile mecanice ale materialelor metalice. Din aceasta cauza in ultimul timp se acorda o mare atentie studiului defectelor (imperfectiunilor) reticulare, cu scopul obtinerii unor materiale cu proprietati cat mai ridicate.

In afara imperfectiunilor, reteaua cristalina poate prezenta si distorsiuni elastice, din cauza carora parametrii retelei se abat in zonele tensionate de Ia valorile ideale, influentand deci si proprietatile mecanice.

Un alt gen de abatere de la structura cristalina ideala, care considera atomii ficsi in nodurile retelei, il constituie vibratiile atomilor din cristalele reale. Frecventa acestor vibratii este dependenta de natura legaturilor interatomice, iar amplitudinea oscilatiilor este dependenta de temperatura, crescand odata cu aceasta.

Clasificarea imperfectiunilor (defectelor) reticulare

Defecte reticulare	Punctiforme	Vacante - defect schottky
		Atomi straini	Interstitiali
			De substitutie
		Conjugate - defect frencel
	Liniare	Marginale
		Elicodale
		Mixte Document online: Componentele sangelui - forma si structura hematiilor Eseu: Jonctiunile celulare
	De suprafata	Limite de graunte
		Limite de sbgraunte
	De volum	Microscopice
		Macroscopice

Defecte punctiforme

Aceste defecte apar frecvent in cristale si au dimensiuni extrem de mici, afectand reteaua cristalina in microvolume cu un diametru de cativa parametrii atomici. In figura 2.8 sunt prezentate schematic aceste defecte punctiforme.

Vacantele, respectiv nodurile neocupate ale retelei reprezinta o caracteristica normala a cristalelor reale. Datorita oscilatiilor atomilor in nodurile retelei, este posibil ca unii atomi sa iasa din pozitia ocupata in cadrul retelei. Atomul care a parasit pozitia sa, a lasat in urma o vacanta si migreaza (difuzeaza) ocupand intr-un alt loc o alta pozitie de echilibru, corespunzatoare unei energii libere mai scazute.

Pentru ca atomul sa poata iesi din pozitia lui de echilibru (nodul retelei), el are nevoie de o energie suplimentara, numita energie de activare. Este normal astfel, ca odata cu cresterea temperaturii corpului metalic numarul vacantelor sa creasca, deoarece amplitudinea oscilatiilor atomilor din reteaua cristalina creste.

Trecerea atomilor din anumite pozitii de echilibru, in alte pozitii de echilibru, poarta numele de autodifuzie. Vacantele sunt in continua miscare in interiorul cristalului, aceasta miscare fiind rezultatul agitatiei termice si se realizeaza printr-o serie intreaga de permutari intre o vacanta si un atom vecin. Sursele de vacante sunt regiunile din cristal unde densitatea atomica este mai redusa (suprafata corpului metalic, limitele grauntilor, dislocatiile).

Daca temperatura este suficient de inalta este posibil ca un atom sa-si paraseasca pozitia de echilibru ocupand o pozitie interstitiala (defect Frenkel). Acest lucru este prezentat in figura 2.9d.

Vacantele si atomii interstitiali constituie obstacole in calea deplasarii electronilor sub influenta unui camp electric si astfel, odata cu cresterea concentratiei acestor defecte creste si rezistivitatea electrica a metalelor.

In figura 2.9 b si c sunt prezentate defecte provocate de atomi straini care pot ocupa pozitii interstitiale sau in nodurile retelei. Acest gen de defecte se intalneste in mod obisnuit la metalele impure sau la aliaje. Toate defectele punctiforme determina deformarea retelei cristaline, influentand astfel proprietatile mecanice ale materialelor metalice.

Figura 2.9 Defecte punctiforme: a - vacanta (defect Schottky);

b - atom interstitial; c - atom strain de substitutie;

d - defecte conjugate (defect Frenkel)

Defecte liniare (dislocatii)

Aceste defecte pot fi puse in evidenta si studiate numai cu ajutorul microscoapelor electronice de mare putere. Dislocatiile pot fi considerate ca linii de demarcatie intre o portiune din cristal, care s-a deplasat pe un plan cristalografic in raport cu celalalt. Dislocatiile au o intindere mare intr-o anumita directie de ordinul sutelor de mii de parametri ai retelei si provoaca deformatii relativ mici (de ordinul catorva parametri ai retelei) pe o directie perpendiculara.

Pentru caracterizarea dislocatiilor se folosesc vectorii Burgers (B). Acesti vectori ne indica sensul si marimea dislocatiei. Zona cristalului, mai puternic afectata se numeste axa dislocatiei. In functie de pozitia vectorului Burgers fata de axa dislocatiei se vor putea deosebi dislocatii marginale si dislocatii elicoidale. La dislocatiile marginale vectorul Burgers este perpendicular pe axa dislocatiei, iar la dislocatiile elicoidale vectorul Burgers este paralel cu axa dislocatiei.

Figura 2.10 Determinarea vectorului Burgers

a - cristal real care contine o dislocatie; b - cristal ideal care nu contine dislocatii

In figura 2.10 este prezentat modul in care se determina vectorul Burgers care caracterizeaza o dislocatie.

Pornind din pun­c­­tul A se parcurg in sus sase distante intera­tomice (parame­tri ai retelei), iar apoi alte sase distante in­spre stanga, ajungan­du-se in punctul C al retelei. Similar se coboara, iar apoi se parcurg alte sase distante pana in punctul E. Se observa ca poligonul nu se inchide, acest lucru datorandu-se faptului ca el include o dislocatie. Segmentul AE reprezinta vectorul Burgers al dislocatiei. In cazul din figura 2.10 a dislocatia are marimea de un parametru al retelei. Dislocatia apare in zona Q si intr-adevar planul cristalin MN contine un numar mai mic de atomi decat planul imediat superior. Aceasta dislocatie este o dislocatie marginala deoarece vectorul Burgers este perpendicular pe axa dislocatiei. O dislocatie marginala este prezentata si in figura 2.11

Figura 2.11 Reprezentarea unui cristal cu retea cubica care contine o dislocatie marginala

Dislocatia marginala poate fi considerata drept limita a unui semiplan atomic suplimentar existent in portiunea superioara a cristalului. In figura 2.10 axa dislocatiei MN si semiplanul PQMN apar in spatiu, reprezentarea fiind facuta in perspectiva. Abaterea de la perfectiune a retelei, nu se limiteaza doar la prezenta unui sir atomic MN cu un numar incoerent de vecini, ci ea se extinde intr-o regiune cilindrica cu axa DD' si raza de 3-4 diametre atomice (regiunea incercuita).

Zona dislocatiei este o regiune de dezordine atomica unde in partea superioara a planului xy apar tensiuni de compresiune, iar in partea inferioara tensiuni de intindere.

Daca planul suplimentar de atomi apare deasupra planului de alunecare, dislocatia se considera pozitiva () si invers, daca planul suplimentar de atomi apare sub planul de alunecare, dislocatia este negativa (T), fig.12.b.

Dislocatiile marginale se deplaseaza de obicei in directia planului de alunecare prin alunecare (fig.12.c). Ele se pot insa deplasa si perpendicular pe planul de alunecare, proces ce este denumit deplasare prin catarare. Deplasarea prin catarare devine posibila cand in timpul deformarii au loc si procese de difuzie, deci cand deformarea se face la temperaturi ridicate.

Figura 2.12 Pozitia atomilor de o parte si alta a planului de alunecare:

A - dislocatie marginala pozitiva; B - dislocatie marginala negativa

Al doilea tip de dislocatie, respectiv dislocatia elicoidala este prezentata in fig.2.13. Aceasta dislocatie rezulta printr-o forfecare a cristalului in plan vertical, axa dislocatiei E-F delimitand zona planului de forfecare. Deplasarea masurata prin vectorul Burgers este in acest caz paralela cu axa dislocatiei. Dislocatiile elicoidale se pot forma si deplasa doar prin alunecare.

Figura 2.13. Reprezentarea unui cristal care contine o dislocatie elicoidala:

a - reprezentare in spatiu; b - vedere in planul de forfecare

In general in cristale coexista dislocatii marginale si elicoidale. Densitatea de dislocatii, exprimata ca lungime totala a dislocatiilor in unitatea de volum, variaza de la 104 - 106 cm/cm3 in metalele recoapte si poate sa creasca pana la 1012 cm/cm³ in metalele deformate plastic la rece.

Defecte de suprafata

Aceste defecte sunt numite si imperfectiuni bidimensionale deoarece au o intindere mare pe doua directii (de ordinul sutelor de mii de parametrii ai retelei), iar pe cea de a treia directie, perpendiculara pe primele, reteaua este afectata doar pe o adancime de cativa parametrii. Acest tip de defect reprezinta de fapt suprafete de separare intre blocurile cristaline ce formeaza un cristal, limite intre faze sau graunti cristalini.

Un cristal real este format din numeroase blocuri cristaline de dimensiuni foarte mici (10^-3 - 10^-6 cm³). Aceste blocuri cristaline formeaza intre ele unghiuri mici (q < 3°), iar ansamblul ce rezulta poarta denumirea de structura in mozaic.

Dupa cum rezulta din figura 2.14 la limitele dintre blocurile cristaline se formeaza siruri intregi de dislocatii marginale care determina deformarea retelei si din aceasta cauza tensiunile interne in aceste zone vor fi si ele mai mari. De asemenea limitele blocurilor cristaline cumuleaza pe langa numeroase dislocatii si numeroase defecte punctiforme ca de exemplu, vacante si atomi straini, acestea determinand si ele, tensionarea retelei.

Datorita starii de tensiune a retelei la limitele dintre blocurile cristaline, atomii vor fi mai activi din punct de vedere chimic si deci aceste zone sunt mai sensibile la coroziune.

Figura 2.14 Structura in mozaic a cristalelor

Un alt tip de defect de suprafata il constituie limitele dintre grauntii cristalini. In cazul in care unghiul q prezinta valori mai mari, perturbatia retelei reticulare se produce pe o adancime mai mare luand nastere suprafete ce delimiteaza grauntii cristalini. Tranzitia de la un graunte ia altul se face printr-o zona avand o grosime de mai multi parametrii ai retelei, in care aranjamentul atomilor nu corespunde nici unuia din cristalele vecine, ci este un aranjament de tranzitie cu un grad pronuntat de dezordine in care e prezentata o retea complexa de dislo­catii si vacante (fig.2.15.).

Figura 2.15 Schema asamblarii retelei cristaline la limitele dintre graunti

Reactivitatea chimica a atomilor plasati la limita grauntilor este mai ridicata decat cea a atomilor de Ia limitele blocurilor crista­line. Din aceasta cauza este posibila observarea acestor limite, prin microscopie optica, dupa ce in prealabil s-a efectuat un atac al probei cu un reactiv chimic adecvat.

Pozitiile de neechilibru ale atomilor de la limitele grauntilor determina cresterea energiei libere. Ca urmare limitele de graunte sunt in echilibru termodinamic metastabil si grauntii au tendinta sa creasca. La temperaturi suficient de inalte limitele de graunte se pot deplasa sub influenta unor forte convenabile. Datorita surplusului de energie si concentratiei sporite de atomi straini, limitele grauntilor sunt sediul de initiere a transformarilor in stare solida din materialele metalice.

Suprafetele interfazice sunt considerate si ele ca fiind defecte de suprafata. Ele reprezinta limitele de separare intre graunti din faze diferite (fig.2.16).

Figura 2.16 Schema  distributiei atomilor la limita grauntilor din faze diferite

In partea de jos a figurii este prezentata variatia energiei libere in lungul grauntilor si a limitei dintre acestia. Structura suprafetei interfazice este mai complexa decat structura limitei de graunte dintr-un material monofazic, deoarece interfata reprezinta o tranzitie intre graunti cu retea cristalina diferita. Interfetele pot fi necoerente daca nu exista nici o continuitate intre retelele cristaline ale celor doua faze. O interfata necoe­renta consta dintr-un aranjament complex de dislocatii care determina o deformare puternica a retelei. Aceste interfete au o mobilitate redusa, ele putandu-se deplasa doar cu un consum foarte mare de energie.