Luku 7: Dislokaatiot & lujittumismekanismit Käsiteltäviä aiheita... Miksi dislokaatioita tarkastellaan vain pääasiassa metalleissa? Kuinka lujuus ja dislokaatioiden liike liittyvät toisiinsa? Kuinka lujuutta voidaan nostaa? Miten hehkutus vaikuttaa lujuuteen ja muihin ominaisuuksiin?

Dislokaatiot & materiaalityypit Metallit: disl. liike helpompaa epäsuuntautuneet sidokset tiivispakkaukselliset liukusuunnat elektronipilvi ioniytimet + Kovalenttiset keraamit esim. Si, timantti: disl. liike hankalaa suuntautuneet sidokset Ioniset keraamit (NaCl) disl. liike hankalaa samanmerkkiset ionit hylkivät toisiaan + -

Dislokaatioiden liike Dislokaatiot ja plastinen deformaatio kuutiollisissa ja heksagonaalisissa metalleissa plastinen deformaatio tapahtuu liukumalla: atomitasot liukuvat toistensa suhteen dislokaatioiden liikkeen välityksellä So we saw that above the yield stress plastic deformation occurs. But how? In a perfect single crystal for this to occur every bond connecting tow planes would have to break at once! Large energy requirement Now rather than entire plane of bonds needing to be broken at once, only the bonds along dislocation line are broken at once. Jos dislokaatiot eivät liiku, ei tapahdu deformaatiota! Fig. 7.1, Callister 7e.

Dislokaation liike Dislokaatiot liikkuvat liukutasoja pitkin liukusuuntaan, joka on kohtisuoraan dislokaatioviivaan nähden Liukusuunta on sama kuin Burgers-vektorin suunta särmädislokaatio Fig. 7.2, Callister 7e. ruuvidislokaatio

Deformaatiomekanismit, liukusysteemi liukutaso – taso, jolla liukuminen on helpointa päällekäiset tasot kaukana toisistaan – suurin tason pakkaustiheys liukusuunta – liikkeen suunta – suurin lineaarinen pakkaustiheys pkk hilassa liukuminen tapahtuu {111} tasoja pitkin (tiivispakkauksellinen) <110> suunnissa (tiivispakkauksellinen) => Yhteensä 12 liukusysteemiä pkk-hilassa tkk ja tph hiloissa erilaiset liukusysteemit Fig. 7.6, Callister 7e.

Jännitys ja dislokaatioiden liike Liukumisen aiheuttaa liukutason suunnassa vaikuttava jännitys tR Sen aikaansaa vaikuttava vetojännitys ulkoinen jännitys s = F/A liuku- suunta F A liukutason normaali, ns liukutasossa vaikuttava jännitys tR = FS/AS liuku- suunta AS tR FS liuku- suunta s ja tR välinen yhteys tR = FS /AS F cos l A / f nS AS

Kriittinen leikkausjännitys Dislokaatioliikkeen ehto: 10-4 GPa to 10-2 GPa tyypillisesti Kideorientaatio voi helpottaa tai vaikeuttaa dislokaatioliikettä tR = 0 l =90° s tR = s /2 l =45° f tR = 0 f =90° s  maksimi, kun  =  = 45º

Yksittäisen kiteen liukuminen Fig. 7.9, Callister 7e. Fig. 7.8, Callister 7e.

Esim: erilliskiteen deformaatio a) myötääkö erilliskide? b) jos ei, mikä jännitys siihen tarvittaisiin? =60° crss = 20 MPa =35° Fig. 7.7, Callister 7e.  = 45 MPa 45 MPa jännitys ei saa kidettä myötämään

Esim: erilliskiteen deformaatio Kuinka suuri jännitys tarvitaan, jotta kide myötää (eli mikä on myötöraja, sy)? Jotta plastista deformaatiota tapahtuu, on jännityksen oltava suurempi tai yhtä suuri kuin myötöraja.

Liukuminen monikiteisissä aineissa 300 mm Raerajat estävät deformaatiota Liukutasot ja –suunnat (l, f) muuttuvat kiteiden välillä tR vaihtelee kiteestä toiseen Kide, jonka tR on suurin, myötää ensimmäisenä Muut kiteet, joiden orientaatio on epäsuotuisampi deformaatiolle, myötävät myöhemmin Fig. 7.10, Callister 7e. (Fig. 7.10 C. Brady, National Bureau of Standards [the National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD].)

Anisotropia myötölujuudessa sy Voidaan saada aikaan valssatessa monikiteistä metallia ennen valssausta valssauksen jälkeen anisotrooppinen koska valssaus vaikuttaa kiteiden orientaatioon ja muotoon valssaussuunta Fig. 7.11, Callister 7e. (Fig. 7.11 W.G. Moffatt, G.W. Pearsall, and J. Wulff, The Structure and Properties of Materials, Vol. I, Structure, p. 140, John Wiley and Sons, New York, 1964.) 235 mm isotrooppinen koska rakeet lähes yhtä suuria ja satunnaisesti orientoituneita

Anisotropia deformaatiossa tantaalilevystä koneistettu sylinteri valssaussuunta Päätykuvan elliptisyys osoittaa anisotrooppisen deformaation valssatussa materiaalissa päätykuva deformoitunut sylinteri levyn syvyyssuunta G.T. Gray III, Los Alamos National Labs. sylinteri ammutaan päin lujaa materiaalia side view

4 Lujittamismekanismia: 1: raekoon pienentäminen Raerajat ovat esteitä dislokaatioille Esteen tehokkuus kasvaa, mitä suurempi kulma rakeiden orientaatioiden välillä on Pieni raekoko: enemmän esteitä dislokaatioille Hall-Petch yhtälö: Fig. 7.14, Callister 7e. (Fig. 7.14 A Textbook of Materials Technology, by Van Vlack, Pearson Education, Inc., Upper Saddle River, NJ.)

4 Lujittamismekanismia: 2: jähmeät liuokset Vieraat atomit vääristävät hilaa ja aiheuttavat jännityksiä Jännityskenttä toimii esteenä dislokaation liikkeelle Pieni korvausatomi hilassa Liuosatomi aiheuttaa paikallisen jännityksen kohdissa A ja B, jotka vastustavat dislokaatioiden liikettä oikealle A B Suuri korvausatomi hilassa Liosatomi aiheuttaa paikallisen jännityksen kohdissa C ja D, jotka vastustavat dislokaatioiden liikettä oikealle C D

Jännitykset dislokaation ympärillä Don’t move past one another – hardens material Fig. 7.4, Callister 7e.

Lujittaminen seostamalla Pienet seosatomit hakeutuvat dislokaatioiden luokse Vaikuttavat liikettä “ankkuroimalla” dislokaation: lujuus kasvaa Adapted from Fig. 7.17, Callister 7e.

Lujittaminen seostamalla Suuret seosatomit hakeutuvat dislokaatioiden luokse, puolelle, jossa on matalampi tiheys Adapted from Fig. 7.18, Callister 7e.

Esim: kuparin lujittaminen Murto- ja myötölujuus kasvaa Ni-pitoisuuden kasvaessa Myötölujuus (MPa) p.%Ni, (pitoisuus C) 60 120 180 10 20 30 40 50 Murtolujuus (MPa) p.% Ni, (pitoisuus C) 200 300 400 10 20 30 40 50 Fig. 7.16 (a) and (b), Callister 7e. Empiirinen yhteys: Seostaminen kasvattaa sy ja TS

4 Lujittamismekanismia: 3: erkautuslujitus Kovat erkaumat vastustavat hyvin leikkautumista esim. keraamit metalleissa (SiC raudassa tai alumiinissa) sivulta erkauma ylhäältä liukunut osa liukutasoa liukumaton osa liukutasoa S tarvitaan suuri leikkausjännitys dislokaation liikuttamiseksi erkaumaa kohti ja sen läpi dislokaatio etenee, mutta erkaumat pysäyttävät dislokaation paikallisesti. S on erkaumien etäisyys toisistaan Tulos:

Sovellus: erkautuskarkaisu Boeing 767:n siiven rakenne Chapter 11, Callister 5e. (G.H. Narayanan and A.G. Miller, Boeing Commercial Airplane Company.) Alumiini on lujitettu seostuksella aikaansaaduilla erkaumarakenteilla 1.5mm Fig. 11.26, Callister 7e. (Fig. 11.26 G.H. Narayanan and A.G. Miller, Boeing Commercial Airplane Company.)

4 Lujittamismekanismia: 4: kylmämuokkaus (%CW) Huoneenlämpötilassa tehtyä deformaatiota Yleisimmät muokkausmenetelmät muuttavat poikkipinta-alaa: Fig. 11.8, Callister 7e. - takominen A o d voima muotti aihio - valssaus valssi A o d - kylmäveto vetävä voima A o d muotti - extruusio mäntä aihio reuna voima muotin kannatin muotti A o d extruusio

Dislokaatiot kylmämuokkauksessa Titaaniseos kylmämuokkauksen jälkeen: 0,9 mm dislokaatiot sotkeutuvat toisiinsa kylmämuokkauksen aikana dislokaatioliike tulee vaikeammaksi Fig. 4.6, Callister 7e. (Fig. 4.6 M.R. Plichta, Michigan Technological University.)

Kylmämuokkauksen tulos dislokaatioiden pituus tilavuusyksikkö Dislokaatiotiheys = varovasti kasvatettu erilliskide  noin 103 mm-2 näytteen deformaatio kasvattaa dislokaatiotiheyttä  109-1010 mm-2 lämpökäsittely laskee deformaatiotiheyttä  105-106 mm-2 suuri lujittuminen pieni lujittuminen s e y0 y1 Again it propagates through til reaches the edge Myötölujuus kasvaa rd:n kasvaessa:

Jännityksen vaikutus dislokaatioihin Fig. 7.5, Callister 7e.

Kylmämuokkauksen vaikutus Kun kylmämuokkausastetta kasvatetaan: myötölujuus (sy) kasvaa murtolujuus (TS) kasvaa sitkeys (%EL tai %AR) pienenee Fig. 7.20, Callister 7e.

Kylmämuokkauksen analysointia D d =12,2mm kupari kylmä-muokkaus Mikä on murtolujuus ja venymä kylmämuokkauksen jälkeen? D o =15,2mm Kylmämuokkausaste, % 100 300 500 700 Cu 20 40 60 myötölujuus (MPa) Kylmämuokkausaste, % murtolujuus (MPa) 200 Cu 400 600 800 20 40 60 murtovenymä (%EL) 20 40 60 Cu Kylmämuokkausaste, % s y = 300MPa 300MPa 340MPa TS = 340MPa 7% %EL = 7% Fig. 7.19, Callister 7e. (Fig. 7.19 Metals Handbook: Properties and Selection: Iron and Steels, Vol. 1, 9th ed., B. Bardes (Ed.), American Society for Metals, 1978, p. 226; and Metals Handbook: Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Pure Metals, Vol. 2, 9th ed., H. Baker (Managing Ed.), American Society for Metals, 1979, p. 276 and 327.)

s- e käyttäytyminen vs. lämpötila Monikiteiselle raudalle: -200C -100C 25C 800 600 400 200 Venymä Jännitys (MPa) 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Fig. 6.14, Callister 7e. • sy ja TS pienenevät koelämpötilan kasvaessa • %EL kasvaa koelämpötilan kasvaessa • Miksi? vakanssit auttavat dislokaatioita liikkumaan esteiden ohi 3 . dislokaatio kiipeää esteen ohitse 2. vakanssit korvaavat atomeja dislokaation tasossa 1. dislokaatio juuttunut esteeseen este

Kylmämuokkauksen jälkeinen lämpökäsittely 1 h pito hehkutuslämpötilassavlaskee murtolujuutta ja kasvattaa murtovenymää Kylmämuokkauksen vaikutukset nollautuvat! Murtolujuus, MPa Murtovenymä, %EL murtolujuus murtovenymä toipuminen rekristallisaatio rakeenkasvu 600 300 400 500 60 50 40 30 20 Hehkutuslämpötila, ºC 200 100 700 3 hehkutuksen vaihetta… Fig. 7.22, Callister 7e. (Fig. 7.22 G. Sachs and K.R. van Horn, Practical Metallurgy, Applied Metallurgy, and the Industrial Processing of Ferrous and Nonferrous Metals and Alloys, American Society for Metals, 1940, p. 139.)

Toipuminen tR Annihilaatio pienentää dislokaatiotiheyttä. • Skenaario 1 Diffuusion tulosta ylimääräinen atomitaso dislokaatiot annihiloituvat ja muodostavat täydellisen atomitason atomit diffundoituvat vetojännityksen alueille • Skenaario 2 tR 1. dislokaatio jumissa, eikä kykene liikkumaan oikealle samanmerkkinen dislokaatio 3. kiivennyt dislokaatio voi liikkua uudella liukutasolla 2. atomit diffundoituvat vakanssimekanismilla mahdollistaen disl. “kiipeämisen” 4. vastakkaismerkkiset dislokaatiot kohtaavat ja annihiloituvat

Rekristallisaatio Syntyy uusia rakeita… pieni dislokaatiotiheys pieni koko kylmämuokatut rakeet katoavat 33% kylmä-muokattu messinki Uudet kiteet ydintyvät 3 sekunnin jälkeen 580C:ssa 0,6 mm Fig. 7.21 (a),(b), Callister 7e. (Fig. 7.21 (a),(b) are courtesy of J.E. Burke, General Electric Company.)

Rekristallisaatio Ajan kuluessa kaikki kylmämuokatut kiteet katoavat Fig. 7.21 (c),(d), Callister 7e. (Fig. 7.21 (c),(d) are courtesy of J.E. Burke, General Electric Company.)

Rekristallisaatiolämpötila, TR TR = rekristallisaatiolämpötila = lämpötila, jossa ominaisuuksien muutosnopeus on suurin Tm => TR  0,3-0,6 Tm (K) diffuusion ajamaa hehkutusaika  TR = f(t) lyhyempi hehkutusaika => korkeampi TR korkeampi %CW => matalampi TR – muokkaus-lujittuminen puhtailla metalleilla matalampi TR dislokaatioliikkeen takia, sillä puhtaissa metalleissa dislokaatioliike on helpompaa

Kylmämuokkauksen vaikutus rekristallisaatiolämpötilaan, TR

Metallien rekristallisaatiolämpötiloja

Rakeenkasvu Pidemmän ajan kuluessa suuret rakeet “syövät” pienemmät Miksi? - raerajojen (ja siten energian) määrä laskee 8 s, 580°C 15 min, 0,6 mm Fig. 7.21 (d),(e), Callister 7e. (Fig. 7.21 (d),(e) J.E. Burke, General Electric Company.) Empiirinen riippuvuus: kulunut aika materiaali- ja lämpötilakerroin rakeiden halkaisija ajanhetkellä t eksponentti yleensä ~ 2 Ostwald Ripening

Rakeenkasvun mekanismi

Rakeenkasvu messingissä

TR = rekristallisaatio- lämpötila ° TR TR = rekristallisaatio- lämpötila Fig. 7.22, Callister 7e. °

Tehtävä Sylinterin muotoinen messinkitanko, jonka alkuperäinen halkaisija on 10 mm, kylmämuokataan vetämällä Pyöreä poikkileikkaus tulee säilyttää deformaation jälkeen (ja aikana) Kylmämuokatun tangon murtolujuus tulee olla vähintään 380 MPa ja murtovenymän vähintään 15% Lopullisen halkaisijan tulee olla 7 mm Kuinka tämä voidaan saavuttaa?

Ratkaisu Mikäli tanko vedetään suoraan lopulliseen halkaisijaansa… messinki kylmä- muokkaus D f = 7 mm D o = 10 mm

Kylmämuokkauslasku - ratkaisu 550 420 5 Kylmämuokkausaste %CW = 51% Fig. 7.19, Callister 7e. y = 420 MPa TS = 550 MPa > 380 MPa %EL = 5 % < 15 % Ei täytä vaatimuksia… mitä voidaan tehdä?

Kylmämuokkauslasku - ratkaisu 380 12 15 27 Fig. 7.19, Callister 7e. Kun TS > 380 MPa > 12 %CW Kun %EL < 15 < 27 %CW Kylmämuokkausaste rajoittuu välille %CW = 12-27

Ratkaisu Kylmämuokkaus – hehkutus - kylmämuokkaus Kylmämuokkausaste oltava %CW  12-27 valitaan %CW = 23 Halkaisija ensimmäisen vedon jälkeen? (ennen toista vetoa)?  So after the cold draw & anneal D02=0.335m 1. vedon jälkeen

Ratkaisu Yhteenveto kylmämuokkaus D01= 10 mm  Df1 = 8 mm Hehkutus D02 = Df1 Kylmämuokkaus D02 = 8 mm  Df 2 = 7 mm Täyttää vaatimukset! Fig 7.19 

Rekristallisaatioaste Kuumamuokkaus  yli TR Kylmämuokkaus  alle TR Pienemmät rakeet lujempia matalissa lämpötiloissa heikompia korkeissa lämpötiloissa log t alku loppu 50%

Yhteenveto Dislokaatioita esiintyy pääasiassa metalleissa ja niiden seoksissa Lujuus kasvaa, kun dislokaatioiden liikkumista vaikeutetaan Lujittamiskeinoja ovat: raekoon pienentäminen liuoslujittaminen erkaumarakenteet kylmämuokkaus Hehkutus voi laskea dislokaatiotiheyttä ja kasvattaa raekokoa, jolloin lujuus laskee

Tiedotettavaa Luettavaa: Ydinongelmia: Itseopiskeltavaa: