Imperfectiuni (defecte) in structura materialelor metalice - cristale ideale si cristale reale

Cristale ideale si cristale reale

Notiunile de retea cristalina si cristal prezentate in capitolul precedent considerau ca structura cristalelor este perfecta si ca atomii din edificiul cristalin nu prezinta nici un fel de abatere de la o distributie ordonata, ideala.

In realitate, cristalele metalice prezinta insa numeroase abateri de la distributia ordonata, ideala, a atomilor retelei cristaline, fapt ce explica, de exemplu, de ce un cristal real (cristal perfect), are o rezistenta la rupere de 100 . 1000 de ori mai mica decat cea calculata pe baza fortelor de coeziune dintre atomii unui cristal ideal, perfect.

Aceste diferente au impus acceptarea teoriei conform careia, in realitate, cristalele prezinta diferite abateri de la distributia ordonata a atomilor retelei cristaline. Astfel de abateri se numesc imperfectiuni sau defecte de retea iar cristalele respective se numesc cristale reale.

Explicarea diferentelor de rezistenta mentionate, pe baza imperfectiunilor de retea, a fost confirmata si experimental. In afara tehnicilor care au permis punerea in evidenta a acestor imperfectiuni de retea, experimentele de laborator efectuate pe monocristale filiforme (cristale unice, cu diametrul de cativa mm. si lungimi de cativa mm., numite si whiskers - mustati) au relevat rezistente foarte mari (apropiate de rezistenta calculata pe baza coeziunii atomice), rezistenta ridicata a acestora fiind astfel determinata de lipsa imperfectiunilor de retea.

Pe langa imperfectiunile de retea, in cristalele reale pot exista si alte tipuri de imperfectiuni ca oscilatiile termice ale atomilor (ionilor) retelei cristaline sau imperfectiunile electronice la scara subatomica.

Deoarece imperfectiunile de retea prezinta o importanta deosebita pentru studiul proprietatilor metalelor si aliajelor metalice, acestea vor fi prezentate mai detaliat in cele ce urmeaza.

Defecte ale retelei cristaline

Din punct de vedere pur geometric imperfectiunile (defectele) de retea ale cristalelor reale se clasifica in trei categorii distincte:

imperfectiuni punctiforme;

imperfectiuni liniare;

imperfectiuni de suprafata.

Defectele de retea au un rol important in determinarea unora dintre proprietatile metalelor. Astfel, proprietatile dependente de imperfectiuni sunt limita de curgere, rezistenta la rupere, rezistenta la fluaj, viteza de difuziune etc.; iar proprietatile independente de imperfectiuni structurale sunt constantele elastice, caldura specifica, densitatea, coeficientul de dilatare termica etc.

Defecte punctiforme

Defectele punctiforme principale din retelele metalice sunt: vacantele (lacunele), atomii interstitiali si impuritatile.

● Vacantele sau lacunele sunt locuri atomice ale unei retele cristaline care nu au fost ocupate de atomi (fig. 1 a).

● Atomii interstitiali sunt atomii de aceeasi natura cu atomii retelei cristaline dar care ocupa pozitii interstitiale in reteaua respectiva (fig. 1 b).

● Impuritatile sunt atomi de alta natura (atomi straini), decat cei care alcatuiesc reteaua cristalina de baza si care ocupa pozitii interstitiale in retea sau substituie atomii metalului de baza (fig. 1 c).

Existenta sau formarea defectelor punctiforme provoaca distorsionari ale retelei cristaline (si ca urmare modificari energetice), ele constituind centre de contractie sau dilatatie locala a acesteia.

Defectele punctiforme se pot deplasa in reteaua cristalina sub actiunea unei energii termice, de deformare etc., deplasarea avand loc din aproape in aproape. Difuziunea in metale de exemplu, implica deplasari ale unui mare numar de defecte punctiforme in retea.

In baza unor considerente de echilibru energetic s-a putut calcula ca numarul vacantelor dintr-un atomgram de substanta este de cca.10¹⁸ la temperatura de 000K (la aproximativ 100.000 pozitii atomice se inregistreaza o vacanta).

Proiect: Localizarea intracelulara a enzimelor Referat: Reactii pentru compusi cu functiuni simple azotate

Defecte liniare

Imperfectiunile (defectele) liniare prezinta o importanta deosebita pentru procesele de deformare plastica si rupere a metalelor si aliajelor metalice si reprezinta regiunea de perturbari, localizate ale retelei, care separa zonele dintr-un cristal in care s-a produs o alunecare de zonele in care aceasta nu s-a produs. Defectele liniare sunt numite curent dislocatii si se deosebesc dupa tipuri principale de astfel de defecte: dislocatiile marginale (dislocatii liniare) si dislocatiile elicoidale.

Dislocatii marginale

Dislocatia marginala poate fi privita simplificat ca fiind o urmare a existentei unui semiplan atomic suplimentar intr-un cristal ideal in care s-a produs o alunecare partiala (fig. 2). Limita dintre zona din partea dreapta a cristalului in care s-a produs alunecarea si zona din partea stanga a cristalului, in care alunecarea nu s-a produs, este linia AB, numita linie de dislocatie marginala. Toate punctele din partea superioara suprafetei ABCD au fost deplasate, marimea si sensul deplasarii fiind exprimate prin vectorul de alunecare sau vectorul Burgers b al dislocatiei si care, pentru o dislocatie marginala pura prezentata in figura 2, este egal cu o distanta interatomica.

O caracteristica care defineste dislocatia marginala este aceea ca vectorul Burgers este intotdeauna perpendicular pe linia de dislocatie AB.

Dislocatiile marginale pozitive se considera atunci cand semiplanul atomic suplimentar se gaseste deasupra planului de alunecare ABCD (notare simbolica ), respectiv dislocatiile marginale negative se considera atunci cand semiplanul atomic suplimentar se gaseste sub planul de alunecare (notare simbolica T ).

Planul atomic suplimentar AEFB determina o deformare elastica a retelei cristaline si aceasta deformare, cuprinsa intre zero si o distanta atomica, se resimte pe o zona de 5 . 10 distante interatomice astfel ca prin dislocatie se intelege de fapt intreaga regiune din jurul liniei AB (numita, pentru simplificare, dislocatie), in care reteaua este deformata. Linia AB reprezinta astfel doar centrul dislocatiei.

Dislocatii elicoidale

Dislocatia elicoidala, numita si dislocatie in surub, este o dislocatie la care directia de alunecare (vectorul Burgers b), este paralela cu linia dislocatiei. In figura 3, se prezinta un exemplu simplu de dislocatie elicoidala obtinuta prin deplasarea in directia de alunecare, a partii superioare a cristalului situata la dreapta liniei de dislocatie AB.

Linia AB separa astfel, pe planul de alunecare, partea de cristal care a alunecat de partea care nu a alunecat. O astfel de dislocatie se numeste elicoidala sau in surub deoarece atomii din jurul ei sunt distribuiti dupa forma spirei unui surub elicoidal: pornind din P pe un traseu in jurul liniei de dislocatie AB, se ajunge in P' intr-un plan atomic aflat in spatele celui corespunzator punctului P, traseul urmat fiind elicoidal si orientat spre dreapta (ruta DPAP'D' ).

In figura 3 b se prezinta pozitia atomilor in jurul unei dislocatii elicoidale localizate intr-o retea cubica simpla. Planul figurii este paralel cu planul de alunecare iar cercurile goale si cele pline reprezinta atomii aflati deasupra si respectiv sub planul de alunecare ABCD

3. Defect

e de suprafata

Imperfectiunile (defectele) de suprafata prezinta o mare varietate dar din punct de vedere al influentei asupra proprietatilor mecanice sunt luate in considerare, de regula, doar doua tipuri: limitele si sublimitele dintre graunti.

3. Limite

Limitele dintre grauntii unui agregat policristalin reprezinta zona de legatura intre cristalite. Deoarece, in general, diferenta de orientare cristalina este mare de la un graunte la altul, aceste limite se numesc si limite la unghiuri mari. Distributia atomilor la limitele cristalitelor poate fi considerata ca apartinand unuia din cele trei tipuri prezentate in figura 4, fara a se putea preciza care dintre acestea corespunde realitatii. Independent insa de tipul luat in considerare, limitele dintre graunti reprezinta zone cu energie mare datorita neechilibrarii fortelor interatomice si aceasta are o serie de consecinte practice: sistemele policristaline tind sa-si micsoreze energia prin micsorarea suprafetelor limitelor cristaline (proces ce se realizeaza prin contopirea si cresterea grauntilor), limitele dintre graunti constituie zona preferentiala de acumulare a impuritatilor, reactiile chimice sunt mult mai energice la limitele grauntilor decat in interiorul acestora etc.

3. Sublimite

Sublimitele sunt defecte de suprafata care apar chiar in interiorul grauntelui cristalin. Astfel, s-a dovedit experimental ca reteaua atomica a unui graunte cristalin prezinta abateri prin formarea de mici blocuri spatiale care fac intre 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 dislocatii marginale asezate una sub alta. Aceasta structura determinata de existenta sublimitelor se numeste structura in mozaic (fig. 5).

O retea de sublimite se poate obtine prin deformare plastica la rece (1 . 10%) si recoacere la temperaturi relativ scazute pentru a nu avea 1oc procesul de recristalizare. Prin deformare se genereaza un mare numar de dislocatii marginale de acelasi semn care, la recoacere, se aseaza una sub alta pe planele de alunecare formand o retea poligonala de sublimite sau  limite la unghiuri mici (fig. 6.). Acest proces de obtinere a sublimitelor prin deformare plastica la rece si recoacere ulterioara se numeste poligonizare, dupa forma pe care o iau planele de alunecare.