Deformácia kryštalických materiálov PDF

Základné spôsoby mechanického namáhania materiálov: a) statické (konštantná zaťažujúca sila alebo rýchlosť deformácie) b) dynamické (prudký nárast rýchlosti deformácie až do porušenia) c) cyklické (únavové, oscilujúce) čas čas...

Základné spôsoby mechanického namáhania materiálov: a) statické (konštantná zaťažujúca sila alebo rýchlosť deformácie) b) dynamické (prudký nárast rýchlosti deformácie až do porušenia) c) cyklické (únavové, oscilujúce) čas čas čas a) b) c) Špecifický druh mechanického namáhania = mechanické zaťaženie materiálov pri vysokých teplotách (prúdové motory, parné turbíny,...) Počas mechanického namáhania materiálov existujú dva základné druhy deformácií: 1. deformácia 2. deformácia Elastická (pružná) deformácia – materiál sa po skončení pôsobenia vonkajšieho mechanického zaťaženia vráti do pôvodného tvaru, - platí Hookov zákon: R = E.ε Plastická (trvalá) deformácia – po skončení pôsobenia mechanického zaťaženia zostáva určitá (trvalá) deformácia  lom F [N] maximálna hodnota sily elastickej deformácie plastická deformácia ∆l [mm] elastická deformácia v uvoľnená elastická deformácia oblasti malých deformácií po porušení skúšobnej tyče napätie [MPa] M RL pomerné predĺženie [-] ak na pevné teleso pôsobí vonkajšia sila, mení teleso svoj tvar, t. j. deformuje sa vnútorné sily v telese tejto zmene tvaru bránia, a tým súčasne vzniká v telese napätie:  – je anizotropný materiál, - plastická deformácia sa uskutočňuje dvomi mechanizmami: 1) jednoduchým posuvom = sklzom 2) preklápaním = dvojčatením Plastická deformácia monokryštálu sklzom - sklz nastáva na určitých rovinách (sklzové roviny = najhustejšie obsadené atómami sklonené približne pod uhlom 45° voči smeru pôsobiacej sily) - nenastáva na všetkých vhodne orientovaných sklzových rovinách, ale vo vrstvách, - realizuje sa pohybom dislokácií, ktorých rýchlosť môže dosahovať až 1000 m.s-1  Al, Cu, Ni, ferit, Cr Au, austenit (K8, bcc) (K12, fcc) {111} {110} ferit, Cr Zn (K8, bcc) (H12, hcp) {112} {0001} < > Najdôležitejšie sklzové roviny a smery sklzu v kryštálových mriežkach  Plastická deformácia monokryštálu dvojčatením (preklápaním) smer - vznikajú tzv. kryštálové dvojčatá sklzu - prejavuje sa náhlym preskupením časti kryštálovej mriežky. Nová mriežka je orientovaná symetricky a zrkadlovo k rovine preklopenia. - vzniká predovšetkým pri sklz hexagonálnej a kubickej plošne centrovanej mriežke dvojčatenie  - mechanizmus deformácie je iný ako v prípade monokryštálov, - výrazný vplyv má rôzna orientácia mriežok jednotlivých zŕn a hranice zŕn Vplyv hraníc zŕn – dislokácie v priebehu plastickej deformácie nedokážu prejsť hranicou do druhého zrna => ich hromadenie, ktoré zvyšuje napätie v okolí = spevňovanie materiálu, Vplyv rôznej orientácie kryštálových mriežok zŕn – sklz nastáva najskôr v zrnách najvhodnejšie orientovaných voči pôsobiacemu napätiu (uhol blízky 45°), až potom sa realizuje aj v iných rovinách. Toto je sprevádzané výrazným spevňovaním materiálu, - počas plastickej deformácie susedia navzájom kryštály namáhané elasticky s kryštálmi namáhanými plasticky Plastickou deformáciou za studena vzniká textúra, zvyšuje sa hustota dislokácií, zvyšuje sa vnútorná energia materiálu Polykryštalický materiál - väčší odpor proti deformácii ako monokryštál Materiály s hexagonálnou mriežkou sa deformujú pred porušením len málo (málo sklzových rovín). Kovy s mriežkou K12 (veľký počet sklzových rovín) sú výborne tvárniteľné. Kovy s mriežkou K8 tvoria prechod medzi oboma typmi mriežok. polykryštál napätie [MPa] monokryštál pomerné predĺženie[-] Plastická deformácia spôsobuje spevňovanie materiálov => - pôsobením vonkajšej sily => pohyb dislokácií, ktoré sa ukotvujú na hraniciach zŕn => spomaľovanie plastickej deformácie - na ďalšiu deformáciu je potrebné zvýšiť veľkosť pôsobiacej sily => uvoľnenie ukotvených dislokácií a aktivizácia nových sklzových systémov - zvýšenie hustoty dislokácií v kove => zvýšenie vnútornej energie materiálu => spevnenie (zvyšuje sa pevnosť, medza klzu, tvrdosť; klesá ťažnosť, húževnatosť).  800 [MPa] [%] 600 Rm pevnosť v ťahu Rm 400 Re medza klzu Re ťažnosť A10 30 200 20 A10 10 0 0 20 40 60 stupeň deformácie [%] Pôsobením vonkajších síl je možné dosiahnuť pre daný materiál medzný stav: Materiál sa môže v zásade porušiť dvomi spôsobmi: 1. krehký lom (bez výrazného plastického (trvalého) pretvorenia materiálu) 2. húževnatý lom (vzniká až po určitej plastickej deformácii materiálu) Makroskopické hľadisko: krehký lom húževnatý lom lom F F vytvorenie lom krčku ∆l ∆l Mikroskopické hľadisko: - dva základné spôsoby šírenia sa lomu: 1. transkryštalicky (cez zrná) – húževnaté materiály 2. interkryštalicky (medzi zrnami –> po hraniciach zŕn) – krehké materiály interkryštalický lom transkryštalický lom zmiešaný lom interkryštalický lom transkryštalický lom zmiešaný lom 100 µm 10 µm Na analýzu štruktúry materiálov sa využívajú: a) makroskopická analýza – voľné oko až zväčšenie do 30x (povrchové vady, lomy, „vlákna“ materiálu,...) b) mikroskopická analýza – väčšie zväčšenia (veľkosť zrna, distribúcia fáz a štruktúrnych zložiek, typ mikroštruktúry,.....) I) svetelná mikroskopia (zväčšenia teoreticky do 2000x) – mikroštruktúry,... II) riadkovacia elektrónová mikroskopia (zväčšenia do 200000x) – lomy, mikroštruktúry, mikroanalýzy,... III) transmisná elektrónová mikroskopia (zväčšenia až do atómovej úrovne) – subštruktúra, precipitáty, dislokácie,.... Na analýzu vlastností materiálov sa využívajú: a) mechanické skúšky – deštrukčný spôsob I) statické – skúška ťahom, tlakom, tvrdosti, krutom, ohybom,... II) dynamické – skúška rázom v ohybe, skúška teploty nulovej húževnatosti tNDT , veľkých telies na rázový ohyb,... b) skúšky tečenia – materiál je vystavený vysokej teplote v koróznom prostredí a zaťažovaný určitou silou c) technologické skúšky – určujú vhodnosť materiálu pre určitý typ technológie (obrobiteľnosť, zlievateľnosť, tvárniteľnosť za tepla a za studena, spájkovateľnosť, zvariteľnosť,....) d) defektoskopické skúšky – pomocou nich sa určujú vady v materiáli bez jeho porušenia (RTG žiarenie, magnetické skúšky, ultrazvuk, kapilárne skúšky,...)  - normalizovaná patrí medzi najdôležitejšie mechanické skúšky cieľom je stanoviť ťahový diagram a určiť základné mechanické charakteristiky (Re, Rm, A, Z), prípadne ďalšie napäťové a deformačné charakteristiky F ťahový diagram vyjadruje závislosť F–∆L (alebo sa po prepočítaní používa ja závislosť R–ε) pri skúške jednoosovým ťahom ∆l  - typické ťahové diagramy F F m F F m m [N] m [N] e Fp0,2 Fe ∆L [mm] ∆l = 0,2 % Lo ∆L [mm] Základné typy tvaru diagramov rôznych materiálov zo skúšky ťahom F tvrdá (pevná) oceľ [N] mäkká (húževnatá) oceľ sivá liatina meď hliník ∆L [mm]  - typické skúšobné tyče So 1. valcové (d0 ≥ 3 mm) do hlavy - so závitom - s osadením Lo - valcové ao meraná dĺžka So - krátke (Lo = 5.do) bo - dlhé (Lo = 10.do) Lc Lt So – prierez skúšobnej tyče, L0 – východisková dĺžka, 2. ploché ao. bo (a ≥ 0.5 mm) a – hrúbka tyče, b – šírka tyče, Lc – skúšobná dĺžka meraná dĺžka tyče, Lt – celková dĺžka tyče - krátke (Lo = 50 mm alebo Lo = 5,65. S ) - dlhé (Lo = 80 mm alebo Lo = 11,3. S )  - základné vzťahy na výpočet mechanických vlastností z ťahového diagramu: F Medza klzu v ťahu, Re [MPa]: R S F 0,2 Dohovorená medza klzu v ťahu Rp0,2 [MPa]: R 0,2 S F Pevnosť v ťahu Rm [MPa]: R S ∆L L L Ťažnosť A [%]: A · 100 · 100 L L S S Zúženie (kontrakcia) Z [%]: Z · 100 S F 0,005 Medza pružnosti v ťahu Rp0,005 [MPa]: R 0,005 S  - normalizovaná P K FG S δ H L S F P S h FG l P KV [J] ocele s mriežkou K12 ocele s mriežkou K8 TT Vidalova krivka -273 -200 -100 0 100 200 273 T [°C]  - normalizované Tvrdosť = odpor materiálu proti vnikaniu cudzieho telesa do povrchu skúšaného materiálu a určuje sa skúškami tvrdosti F Fo F1 Fo F h 120° D 136° HRA, HRC u2 d2 d1 1/16“ h u1 d = d1 + d2 d = u1 + u2 2 2 HRB podľa podľa podľa Brinella Vickersa Rockwella = degradačný proces spôsobený účinkom cyklického (opakovaného) zaťažovania - cyklické napätie je zvyčajne menšie ako medza klzu daného materiálu, - pri cyklickom zaťažovaní dochádza k postupným zmenám v materiáli, a tým ku strate schopnosti odolávať vonkajšiemu zaťažovaniu - poškodenie sa kumuluje s pokračujúcim cyklovaním pokiaľ nedôjde k rozvoju trhliny, prípadne k inému poškodeniu, ktoré vedie k lomu súčiastky - nemecký inžinier August Wöhler (1818-1914) zaviedol únavové skúšky a ako prvý zistil jednu zo základných únavových charakteristík - krivku únavy (Wöhlerova krivka = závislosť amplitúdy cyklického napätia od počtu zaťažovacích cyklov) - všeobecné rozdelenie spôsobov únavového poškodenia: 1. mechanická únava – vzniká pri pôsobení vonkajšej cyklickej zaťažujúcej mechanickej sily 2. tepelná únava – vzniká pri opakujúcom sa ohreve a ochladzovaní materiálov (vplyv tepelných napätí, tepelnej vodivosti materiálov 3. tepelno-mechanická únava – vzniká pri súčasnom pôsobení teploty a vonkajšieho mechanického cyklického zaťaženia  Kmitavé (cyklické) zaťaženie mení svoju hodnotu periodicky od maxima k minimu. Táto periodická zmena môže byť pravidelná alebo nepravidelná. Základné charakteristiky zaťažovacieho cyklu:  napätie [MPa] -σ +σ 0 čas Únavový lom pozostáva: a) vlastný únavový lom – „hladký“ rovinný povrch lomovej plochy 1. miesto iniciácie lomu 2. postupové čiary šírenia lomu - tzv. oddychové čiary, alebo striacie b) zvyškový lom (dolomenie zoslabnutého nosného prierezu) – nepravidelný lom so známkami plastickej deformácie miesto iniciácie lomu vlastný únavový lom zvyškový lom oddychové čiary vyjadruje závislosť σ = f(N) σ = maximálna hodnota napätia daného cyklu N = počet zaťažujúcich cyklov zodpovedajúcich príslušnému napätiu - zostrojuje sa z experimentálne zistených údajov napätí σ1; σ2 až σn a im zodpovedajúcim počtom cyklov N1, N2 až Nn. - existujú dva charakteristické typy kriviek únavy, ktoré vyjadrujú správanie sa rôznych materiálov pri cyklickom namáhaní a) po klesajúcej časti nastáva jej ohyb do časti, ktorá sa asymptoticky blíži k nejakej medznej hodnote σC, ktorú nazývame medza únavy (býva rovnobežná s osou počtu cyklov) priebeh je typický pre nízkouhlíkové ocele a ďalšie intersticiálne zliatiny, ktoré sa vyznačujú deformačným starnutím. (pri cyklickom namáhaní prejavuje zvýšením medze sklzu materiálu = cyklické spevnenie, a v dôsledku toho sa zvyšuje aj odolnosť proti porušeniu únavou) b) nemá asymptotickú časť a napätie plynulo klesá s rastom počtu cyklov, takže k porušeniu dochádza pri konečnom počte cyklov pre všetky hodnoty napätia. (kovy a zliatiny s mriežkou K12, najmä zliatiny Al, alebo ak sa kovy skúšajú v koróznom prostredí) Životnosť je definovaná počtom cyklov do porušenia NX, zodpovedajúcim príslušnému napätiu, ktoré sa nazýva časovaná medza únavy σNx Krivky únavy sa výhodnejšie znázorňujú v dvojitých alebo v jednoduchých logaritmických súradniciach, kedy sa krivky premenia na lomené čiary, čím sa uľahčí ich vyhodnocovanie využitím polohy zlomu. Priebeh Wöhlerovej krivky je možné podľa počtu zaťažovacích cyklov rozdeliť' na dve základné oblasti: a) nízkocyklová únava – počet cyklov do lomu je rádovo 102 až 105 b) vysokocyklová únava – počet cyklov do lomu je rádovo 105 až 106 c) gigacyklová únava – počet cyklov do lomu je vyšší ako 109 Z hľadiska určenia životnosti častí strojov a zariadení pracujúcich pri cyklickom zaťažení sa odolnosť proti porušovaniu únavou hodnotí: 1. časovanou únavovou pevnosťou (časovaná medza únavy σNx) 2. trvalou únavovou pevnosťou (medza únavy s neobmedzeným počtom cyklov σC) - na únavu materiálov vplýva: 1. materiál súčiastky (veľkosť zrna, distribúcia častíc,...) 2. frekvencia zaťažovania 3. tvar prechodov 4. drsnosť povrchu 5. stav povrchovej vrstvy 6. tepelné spracovanie 7. agresivita prostredia 8. teplota prostredia 9. technológia výroby súčiastky (napr. zváranie, tvárnenie...)  = pomalá plastická deformácia materiálu vyvolaná dlhodobým pôsobením konštantného napätia a stálej teploty. Tečenie sa môže prejaviť dvoma základnými spôsobmi: 1) ak pôsobiace napätie a teplota je počas namáhania konštantná – postupný nárast celkovej deformácie pri náraste trvalej deformácie – vyjadrením je krivka tečenia 2) ak deformácia je počas namáhania konštantná (t. j. skrutka, pružina) – pri konšt. teplote narastá trvalá deformácia iba na úkor pružnej deformácie, čo spôsobuje postupný pokles pôsobiaceho napätia = relaxácia napätia – tečenie je časovo závislý dej => vyjadruje sa krivkou tečenia (závislosť deformácie od času pri daných podmienkach, t. j. teplote a napätí)  Charakteristický tvar krivky tečenia: 0 – 1 = oblasť prvotnej okamžitej deformácie, ktorá lom nie je spôsobená tečením 4 mat., dá sa určiť zo statickej skúšky ťahom pri danej ε teplote a má kvázipružný charakter a jej veľkosť sa 3 nemení ε tečením I = oblasť primárneho tečenia – rýchlosť tečenia sa 2 postupne zmenšuje II = oblasť sekundárneho I II III (ustáleného) tečenia – 1 konštantná rýchlosť tečenia 0 ε el. III = oblasť terciárneho τ [h] (urýchleného) tečenia – εel – def. spôsobená statickou záťažou (kvázipružná) , postupný nárast rýchlosti εtečením - deformácia spôsobená tečením. tečenia a končí sa lomom Priebeh krivky tečenia pre daný materiál výrazne závisí od podmienok tečenia (teploty a napätia) - zvýšenie teploty (alebo napätia) = zväčšenie deformácie a skrátenie času do porušenia materiálu: vysoké: T, σ III ε III II I II I I nízke: T, σ τ [h] Mechanizmy spôsobujúce tečenie (deformáciu): - pohyb atómov a vakancií (difúzne tečenie) - pohyb dislokácií (dislokačné tečenie) Lom je výsledkom degradačných procesov prebiehajúcich v materiáli telesa v priebehu jeho zaťažovania - nukleácia a rast trhlín. Posúdenie odolnosti materiálu voči tečeniu - skúšky tečenia za vyšších teplôt podlá normy STN 420351 (pre skúšky tečenia v ťahu vykonávané na stanovenie medze pevnosti pri tečení a medze tečenia kovových materiálov) = napätie [MPa], pri ktorého trvalom pôsobení pri teplote T [°C] je čas po lom t [s] je napätie [MPa], ktoré za čas t [s] pri teplote T [°C] spôsobí A% [%] trvalé pomerné predĺženie skúšobnej tyče Hodnotenie odolnosti proti tečeniu: a) medzou pevnosti pri tečení – uplatňuje sa pri potrubiach, tlakových nádobách a pod., kedy netreba brať do úvahy zmeny rozmerov tečením; b) medza tečenia - uplatňuje sa pri lopatkách turbín a kompresorov alebo nosných plochách nadzvukových lietadiel, kedy by zmena rozmeru v dôsledku tečenia spôsobila poruchu funkcie zariadenia Pri skúške medze tečenia sa meria závislosť deformácie skúšobnej tyče od času. Parametrom skúšky je čas t1%, ktorý zodpovedá 1 % trvalej deformácie skúšobnej tyče pri príslušnom napätí. Hodnoty napätia a teploty sa volia tak, aby čas po lom alebo na dosiahnutie požadovanej deformácie bol pri skúške o jeden rád nižší než je požadovaný Stanovanie medze pevnosti pri tečení – metódou časovej extrapolácie (namerajú sa hodnoty času po lom pri požadovanej teplote ale pri vyšších napätiach než sú prevádzkové. Tým sú hodnoty tr primerane krátke (maximálne rádovo 10 h). Z nameraných hodnôt sa vynesie závislosť: log tr na log R. Závislosť sa lineárne extrapoluje metódou najmenších štvorcov (pripadne iba graficky) a zo získaného grafu sa odčíta príslušná hodnota' napätia RmT(t/T), ako je schematicky znázornené na obr.