Dislokationer och kristallgitter Gitter: tätpackade plan och riktningar är gynnade. Kapitel 8: Mekanismer att härda material

Transkript

1 Kapitel 8: Mekanismer att härda material Frågeställningar:.. Varför förekommer dislokationer huvudsakligen i metaller och legeringar? Vilken är kopplingen mellan styrka och dislokationers rörelse? Hur kan vi öka ett materials styrka? Hur påverkar en värmebehandling materialets styrka och andra egenskaper? Dislokationer i olika materialtyper Metaller: Dislokationsrörelse lätt bindningarna har ingen riktning tätpackade plan och riktningar bra för glidning. elektronmoln joniserade kärnor Kovalenta keramer (Si, diamond): rörelse svår. -riktade bindningar Joniska keramer (NaCl): rörelse svår. -måste undvika ++ och -- grannar Dislokationsrörelse Ger plastisk deformation, Sker genom att inkrementellt bryta bindningar. 7.1, (Fig. 7.1 is adapted from A.G. Guy, Essentials of Materials Science, McGraw-Hill Book Company, New York, p. 153.) Om dislokationerna inte rör sig, så kan man inte forma materialet! Plastiskt utdragen enkristall av zink. 7.9, (Fig. 7.9 is from C.F. Elam, The Distortion of Metal Crystals, Oxford University Press, London, 1935.) 7.8, Inkrementell glidning Dislokationer flyttar sig inkrementellt längs glidplanet Dislokationen (det röda punkten)......skiljer kristallen till vänster som glidit från kristallen till höger som inte glidit än. Simulation of dislocation motion from left to right as a crystal is sheared. 3 (Courtesy P.M. Anderson) 4 Brytning och återställning av bindningar Dislokationsrörelse kräver fortlöpande rörelse av ett halvt atomplan (från vänster till höger i bilden). Bindningar vid glidplanet bryts och återställs för varje plan som dislokationen rör sig. Atomistisk bild av en kant dislokation som rör sig från vänster till höger när kristallen utsätts för skjuvning. Dislokationer och kristallgitter Gitter: tätpackade plan och riktningar är gynnade. Jämförelse med olika kristallgitter: FCC: många tätpackade plan/riktningar; HCP: bara ett plan, 2 riktningar; BCC: inga tätpackade plan Resultat från dragprov. Tätpackat plan (under) Bild av tätpackade plan tätpackade riktningar Tätpackade plan (överst) Mg (HCP) Sprött brott (Courtesy P.M. Anderson) 5 dragriktning Al (FCC) Segt brott 6 1

2 Pålagd spänning och dislokationsrörelse Kristallplanens glidning beror på en skjuvspänning, τ R. Pålagd dragspänning kan orsaka en sådan skjuvspänning. Pålagd drag spänning: = F/A glid riktning F A F Resulterande skjuv spänning: τ R =Fs/As glidplanets normal, n s τ R glid riktning Fs τ R As glid riktning Relation mellan and τ R τ R =Fs/As Fcos λ A/cos φ F ns φ λ A Fs As Kritiska skjuvspänningen Villkor för att dislokationerna skall röra sig: τ R >τ CRSS Kristallorienteringen kan göra det lättare eller svårare att röra dislokationerna. τ R =cos λcos φ τ R = λ=9 τ R = /2 λ=45 φ=45 typically 1-4 G to 1-2 G τ R = φ=9 τ R =cos λcos φ 8 Dislokationsrörelse i polykristallina material Glidplan och riktningar (λ, φ) är olika i varje kritallkorn. τ R ärolikai varjekristallkorn. Det kristallkorn med störst τ R börjar glida först. Andra korn (men mindre bra orientering) glider senare. 3 µm 7.1, (Fig. 7.1 is courtesy of C. Brady, National Bureau of Standards [now the National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD].) Från formning till härdning Formning, dvs plastisk deformation, av metalliska material sker huvudsakligen genom dislokationsrörelser. Av detta kan man dra slutsatsen att härdning av metalliska material betyder att man på något sätt hindrar dislokationernas rörelse. Vi skall nu beskriva 4 olika härdningsmekanismer 9 Härdningsmetod 1: minska kornstorleken Exempel på korngränshärdning: Korn (och fas-) gränser stoppar dislokationer. Ju större skillnad mellan kornens orientering ju bättre stoppas dislokationerna. Alltså: små korn ger större motstånd mot dislokationsrörelsen. glid plan korn A 7.12, (Fig is from A Textbook of Materials Technology, by Van Vlack, Pearson Education, Inc., Upper Saddle River, NJ.) Hall-Petch ekvationen: yield = o + k y d 1/2 korngräns korn B 7u-3wt%Zn mässing y = o + k y d 1/2 Data: kornradie, d (mm) x1-3 2 y (MPa) 15 1 ky [kornradie (mm)] , (Fig is adapted from H. Suzuki, "The Relation Between the Structure and Mechanical Properties of Metals", Vol. II, National Physical Laboratory Symposium No. 15, 1963, p. 524.).75mm 4.11(c), (Fig. 4.11(c) is courtesy of J.E. Burke, General Electric Co. 2

3 Kan orsakas av valsning av en polykristallin metall -före valsning 235 µm -isotropisk eftersom kornen är approx. sfäriska och slumpvis orienterade. Anisotropi för y -efter valsning valsriktning -anisotropic eftersom valsningen påverkar orienteringen och formen. 7.11, (Fig is from W.G. Moffatt, G.W. Pearsall, and J. Wulff, The Structure and Properties of Materials, Vol. I, Structure, p. 14, John Wiley and Sons, New York, 1964.) Cylinder av tantal uttagen från en valsad plåt: valsriktning Anisotropisk deformation 2. Skjut cylindern mot ett mål. 3. Deformerad cylinder från sidan botten yta Den ovala bottenytan visar att att det valsade materialet är anisotropt. Photos courtesy of G.T. Gray III, Los Alamos National Labs. Used with permission. Riktningen av plåtens tjocklek 13 Härdningsmetod 2: lösningshärdning Legeringsatomer stör gittret och orsakar spänningar. Spänningarna kan hindra dislokationernas rörelse. Små substitutionella legeringsatomer A Legeringsatomerna orsakar en lokal spänning vid A och B som hindrar dislokationsrörelsen. B Stora substitutionella legeringsatomer D Legeringsatomerna orsakar en lokal spänning vid C och D som hindrar dislokationsrörelsen C Exempel: lösningshärdning i koppar Brottspänning och sträckgräns ökning med wt% Ni. Brottspänning (MPa) wt. %Ni Sträckgräns (MPa) Empirisk relation: y ~C 1/2 Legeringstillsats ökar y and B wt. %Ni 14 Lösningshärdning Interstitiella lösningsatomer kan också ge stor härdeffekt, t.ex. kolatomer i martensiten. Ythärdning genom kol eller kväve är också ett exempel på lösningshärdning. Härdningsmetod 3: Utskiljningshärdning Genom bättre förståelse av plastisk deformation och dislokationer har mán under de senaste 5 åren utvecklat en ny härdmetod för speciellt aluminium legeringar. Denna kallas utskiljningshärdning (eller partikelhärdning) och innebär att man skapar många små partiklar (radie < 1 µm) som hindrar dislokationernas rörelse. Samtidigt skapas mer ytor i materialet och på samma sätt som för korngränshärdning så betyder mycket ytor i ett material att det blir starkare. 3

4 Fasdiagrammet för Al-Cu Den klassiska utskiljningshärdande legeringen heter dural och består av Al med 4-5 wt% Cu. Fasdiagrammet för Al-Cu är ganska komplicerat med många intermetalliska faser. Men för att förstå hur härdning av dural fungerar behöver man bara studera den eutektiska delen närmast Al med FCC-Al, smälta och Θ (theta) fasen. TEMPERATURE_CELSIUS FCC Liquid FCC+Θ Θ WEIGHT_PERCENT CU Al-rika delen av Al-Cu fasdiagrammet Typiskt för en utskiljningshärdande legering är att man: 1. upplösningsbehandlar legeringen så den blir enfasig vid hög temperatur och 2. sedan snabbkyler för en stor övermättnad av en annan fas 3. slutligen åldrar legeringen (värmebehandla vid en låg temperatur) för att få mycket små partiklar av den övermättade fasen att skiljas ut.. Partiklarna hindrar dislokationernas rörelse och höjer sträckgränsen. FCC 544 FCC+Θ Liquid Θ En Al-Cu legering med sammansättning enligt blå linjen är lämplig för utskiljningshärdning. Utskiljninghärdning (partikelhärdning) Vid upplösningsbehandlingen i FCC området måste man vara försiktig så man ej får smälta. Vid snabbkylningen får man en kraftigt övermättad lösning av Θ fasen i FCC (men ingen martensitomvandling, martensitfasen är unik för Fe- C systemet). Under åldringen vid något högre temperatur får man en riklig kärnbildning av Θ-fasen. Ju högre åldringstemperatur ju grövre utskiljning. Temp. Upplösningsbehandling 11.2, Åldring snabbkylning FCC FCC + Θ Tid 2 sträckgräns (MPa) 5 3 Åldringens effekt på B och %EL Al legering 214: B har ett maximum efter en viss åldringstid. Ökande åldringstemperatur påskyndar processen men ger lägre hårdhetsmaximum övermättad fast lösning Många små partiklar åldrad 24 C färre större partiklar överåldrad 149 C 2 1min 1h 1dag 1mo 1år åldringstid (h) %EL %EL har ett minimum efter en viss åldringstid 24 C 149 C 1min 1h 1dag 1mo 1år åldringstid (h) Simulering: dislokationsrörelse i ett åldrat material Maximal sträckgräns --medel partikel radie = 64b (b motsvarar Burgers vektor) --tätt liggande partiklar stoppar dislokationerna effektivt. Simulering: dislokationsrörelse i ett överåldrat material Överåldrat --medel partikel radie = 361b --glesare partiklar är inte lika effektiva. Simulation courtesy of Volker Mohles, Institut für Materialphysik der Universitåt, Münster, Germany ( uni-munster.de/physik /MP/mohles/). Used with permission. Simulation courtesy of Volker Mohles, Institut für Materialphysik der Universitåt, Münster, Germany ( uni-munster.de/physik /MP/mohles/). Used with permission. Click on image to begin simulation 22 Click on image to begin simulation 23 4

5 Styrkan av partiklarna Hårda partiklar kan dislokationerna inte passera igenom. Ex: keramiska partiklar i metaller (Fe 3 C i järn eller SiC I aluminium). partikel Från sidan Ovanifrån Del av glidplan som ej rört sig S Glidplan som rört sig Resultat: Sträckgränsen ökar Stark skjuvspänning krävs för att flytta dislokationen till partikeln och genom den Dislokationen rör sig fram till partikeln men partikeln fungerar som låsning med avståndet Ṡ y ~ 1 S 24 Tillämpning av partikelhärdning Den interna vingbalkarna i Boeing , Callister 5e. (Fig. 11. is courtesy of G.H. Narayanan and A.G. Miller, Boeing Commercial Airplane Company.) Aluminium härdas med partiklar som bildas med olika legeringsämnen. Partikelstorleken i figuren är några nanometer 1.5µm 11.24, (Fig is courtesy of G.H. Narayanan and A.G. Miller, Boeing Commercial Airplane Company.) 26 Härdning av stål -- en repetition Omvandlingarna i stål från förra föreläsningen representerade både mjukglödgning och härdning. Härdning av stål är speciell eftersom järn har en fastfasomvandling FCC->BCC vid en lämplig temperatur och martensitomvandlingen är unik för Fe-C Eutektoida fasdiagrammet för stål Fasdiagrammet för Fe-C ser inte ut som det vanliga för partikelhärdning eftersom högtemperaturfasen som löser mycket kol har ett annat gitter än lågtemperaturfasen. Men det viktiga för att få många små partiklar är att man kan få stor övermättnad vid snabbkylning. Omvandligen till martensit är också unik för Fe-C systemet. TEMPERATURE_CELSIUS BCC (ferrite) (.2) FCC (austenite) Ms (.77) BCC+CEMENTIT 727 FCC+CEMENTIT WEIGHT_PERCENT C Effekten av kol Perlit (med) ferrit (mjuk) Mekaniska egenskaper, Fe-C (1) Co<.77 Undereutektoid Under Över Under Över B (MPa) 11 %EL 8 1 y (MPa) 9 hårdhet Högre kolhalt medför B och y ökar, %EL minskar..77 Co>.77 Över eutektoid.77 Perlit (med) Cementit (hård) Impact energy (Izod, ft-lb) Mekaniska egenskaper, Fe-C (2) Fin respektive grov perlit och sfäroidiserad cementit (mjukglödgat) Brinell hårdhet Hårdhet %AR: under över 9 under över fin perlit.5 1 grov perlit mjukglödgat Duktilitet (%AR) 6 : fin > grov > mjukglögat fin < grov < mjukglödgat mjukglödgat 3 grov perlit fin perlit.5 1 Fin perlit har mer ytor än grov perlit, därför hårdare 5

6 Mekaniska egenskaper, Fe-C (3) Fin perlit jämfört med martensit: 2 Brinell hårdhet6 under martensit fin perlit över , (Fig adapted from Edgar C. Bain, Functions of the Alloying Elements in Steel, American Society for Metals, 1939, p. 36; and R.A. Grange, C.R. Hribal, and L.F. Porter, Metall. Trans. A, Vol. 8A, p ) Hårdhet: fin perlit << martensit. Lösningshärdningen av kol i martensit ger hårdare material än ythärdningen i perlit. Anlöpt (tempered) martensit reducerar martensitens sprödhet, reducerar inre spänningar orsakade av snabbkylningen. B (MPa) y (MPa) Fig. 1.25, 1 (Fig adapted from Fig. furnished courtesy of 1 Republic Steel Corporation.) 8 y B Fig. 1.24, (Fig copyright by United States Steel Corporation, 1971.) 6 5 %AR %AR anlöpnings T ( C) Vid anlöpningen fås mycket små Fe 3 C partiklar omgivna av α. Minskar B, y men ökar %AR 18 Anlöpt martensit är en form av utskiljningshärdning 9 µm Perlit (α + Fe3C lameller + proeutectoid phase) Processvägar för Fe-C långsam kylning Styrka Austenit ( γ) medium kylning Bainit (α + Fe3C plattor/nålar) martensit anlöpt martensit bainit fin perlit grov perlit sfäroidiserad cem Allmäna trender Duktilitet snabb kylning Fig. 1.27, Martensit (BCT phase diffusionlös omvandling) värm Anlöpt Martensit (α + mycket fina Fe3C partiklar) 19 Härdningsmetod 4: deformationshärdning (%CW) Deformation vid rums-temperatur (kallbearbetning). Vanliga formnings operationer som ändrar materialets tvärsnittsarea: -Smide kraft -Valsning roll form Ad Ao Ad Ao roll -Dragning Ao form kraft Ad drag kraft kraft -Extrusion Ao %CW = A o A d x1 A o behållare pistong die fäste extrusion die Ad Dislokationer under deformation Ti legering efter kallberabetning:.9 µm Dislokationer låser varandra vid kallbearbetning. Dislokationsrörelse blir svårare och svårare. 4.6, (Fig. 4.6 is courtesy of M.R. Plichta, Michigan Technological University.) 17 Dislokationstätheten (ρ d) ökar: Normal dislokationstäthet: ρd ~ 1 3 mm/mm 3 = 1 12 m -2 Kraftigt deformerat material: ρd ~ 1 1 mm/mm 3 = 1 19 m -2 Metoder att mäta dislokationstätheten: Volum, V längd, l 1 längd, l 2 längd, l 3 = l 1 + l 2 + ρ l 3 d V Sträckgränsen ökar när ρ d ökar: Resultat av kallbearbetning OR y1 y 4µm ρ d = N Yta, A N dislokations gropar (syns vid etsning) dislokations grop Micrograph adapted from Fig. 7., (Fig. 7. is courtesy of W.G. Johnson, General Electric Co.) Stort deformationshårdnande Litet deformationshårdnande ε 6

7 Simulering av dislokations rörelse/generering Dragspänning (horisonellt) av en FCC metall med ett hack i övre och undre ytan. Mer än 1 9 atomer modelerade i ett 3D volym. Notera den stora ökningen av dislokationstätheten. Simulation courtesy of Farid Abraham. Used with permission from International Business Machines Corporation. Dislokationslåsning Dislokationer skapar spänningar. Detta kan låsa näraliggande dislokationer. Den röda Red dislocation dislokationen generates generar shear at pts A and B that en spänning vid A och opposes motion of B som green hindrar disl. den from gröna dislokationen left to right. att röra sig A B Click on image to animate 19 2 Betydelsen av kallbearbetning Sträckgränsen ( y ) ökar. Brottspänningen ( B ) ökar. Duktilteten (%EL eller %AR) minskar. Spänning % kallbearbetning töjning 7.18, (Fig is from Metals Handbook: Properties and Selection: Iron and Steels, Vol. 1, 9th ed., B. Bardes (Ed.), American Society for Metals, 1978, p. 221.) 21 Analys av kallbearbetning Vad är sträckgränsen, brottgränsen och duktiliteten efter kallbearbetning? %CW = πr o 2 πr 2 d x1 = 35.6% πr 2 o sträckgräns (MPa) 7 5 3MPa 3 Cu % Cold Work y =3MPa 8 6 brottgräns (MPa) 34MPa Cu % Cold Work B =34MPa Do=15.2mm Koppar Kallbearb > Dd=12.2mm duktiltet (%EL) 6 7% % Cold Work %EL=7% 7.17, (Fig is adapted from 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.) 4 2 Cu 22 -ε beroende av temperaturen Resultat för polykristallint järn: 6.14, Spänning (MPa) 8-2 C C 25 C töjning y och B minskar med ökande temperatur. %EL ökar med ökande temperatur. 3. dislok passerar hindret Varför? Vakanser hjälper dislokationer att passera hinder. 2. vakanser ersätter atomer i halvplanet med dislok 1. dislok fastnar på hinder hinder Brottgräns (MPa) Effekten av uppvärmning efter kallbearbetning 1 timmes uppvärmning till 4% av T m... minskar B och ökar %EL. Effekten av kallbearbetningen blir omvänd! värmebehandlings temperatur ( C) brottgräns duktilitet 2 3 Återhämntning Rekristallisation duktilitet (%EL) Korntillväxt 3 olika steg under värmebehandlingen att förklara , (Fig. 7.2 is adapted from 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, 194, p. 139.) 23 7

8 Återhämtning Annihilering av dislokationer minskar dislokationstätheten. Scenario 1 extra halvplan med atomer atomer diffunderar till områden med spänningar extra halvplan med atomer Scenario 2 3. Dislokationerna klättrar och rör sig på ett nytt glidplan 2. grå atomer försvinner med vakansdiffusion och dislok klättar 1. dislokation blockerad Kan inte röra sig åt höger Dislokationerna. annhileras och bildar ett perfekt atomplan τ R 4. Två dislokationer med motsatta Burgers vektor möts och försvinner hinder dislokation Nya kristallkorn bildas som: --har normal dislokationstäthet --är små (om kallbearbetningen stor) -- äter upp de kalldeformerade kristallkornen.6 mm.6 mm 33% kallbearbetad mässing Rekristallisation Nya kristallkorn Kärnbildas efter 3 sec. vid 58C. Fig (a),(b), (Fig (a),(b) are courtesy of J.E. Burke, General Electric Company.) Fortsatt rekristallisation Alla kallbearbetade kristallkorn äts upp av de nya..6 mm.6 mm Korntillväxt Efter lång tid vid hög temperatur växer kornstorleken. Varför? Korngränser representerar energi och större korn minskar energin..6 mm.6 mm Efter 4 seconds Efter 8 seconds Fig (c),(d), (Fig (c),(d) are courtesy of J.E. Burke, General Electric Company.) Efter 8 s, 58C Efter 15 min, 58C Empirisk formel: exponent typiskt. ~ 2 korndiameter d n n vid tid t. d o = Kt Fig (d),(e), (Fig (d),(e) are courtesy of J.E. Burke, General Electric Company.) koefficient som beror på material och T. tid för tillväxt Summering Dislokationer förekommer i keramer och metaller men betyder mest i metaller eftersom där är de är lättrörliga. För metaller ökar styrkan (sträckgräns, brottgräns) genom att förhindra dislokationsrörelsen. Speciella sätt att öka styrkan är att: --minska kornstorleken --lösningshärdning --utskiljningshärdning (partikelhärdning) --deformationshärdning (kallbearbetning) Uppvärmning (annealing) kan reducera dislokationstätheten och förändra kornstorleken. Läsanvisningar Kapitel 8 sidor: , (partikelhärdning kapitel 11 sidor ) Typtal: 8.5, 8.19, 8.22, 8.29,