Imperfectiuni ale structurii cristaline

1 Tipuri de imperfectiuni structurale

Materialul cristalin (metalic, ceramic sau polimer) obtinut prin diferite procedee tehnologice (turnare, sinterizare, deformare, tratament termic etc.) este in general un agregat policristalin, la care cristalele in contact au forme neregulate si numeroase abateri de la structura cristalina ideala. Aceste abateri se numesc imperfectiuni sau defecte structurale. Cristalul real, afectat de defecte, este numit cristalit sau graunte cristalin.

Imperfectiunile structurale se diferentiaza din mai multe puncte de vedere:

1. Din punct de vedere al stabilitatii in timp a deplasarii atomilor:

- imperfectiuni dinamice, care provoaca deplasari variabile in timp ale atomilor. Astfel sunt vibratiile atomilor fata de pozitia de echilibru, cu frecvente care depind de natura si intensitatea legaturii interatomice. Amplitudinea acestor vibratii creste cu temperatura si de aceea defectul se numeste agitatie termica. Vibratiile atomilor influenteaza direct unele proprietati (conductibilitatea termica si electrica, caldura specifica) sau indirect prin crearea de imperfectiuni statice;

- imperfectiuni statice, care produc deplasari stabile in timp ale atomilor si modificari ale caracteristicilor structurii cristaline (distanta interatomica, numarul de coordinatie etc). Aceste imperfectiuni au o influenta importanta asupra proprietatilor fizico-mecanice dependente de microstructura si vor fi analizate mai jos.

2. Din punct de vedere geometric imperfectiunile statice pot fi:

- punctiforme, cu zero dimensiuni;

- liniare sau dislocatii, cu o dimensiune;

- de suprafata, cu doua dimensiuni.

Din punct de vedere al stabilitatii termodinamice:

- termodinamic stabile, care produc cresterea entropiei cristalului si se opun cresterii energiei libere. Exista in conditii de echilibru si numarul lor depinde de temperatura. De exemplu, lacunele;

- termodinamic instabile, care maresc energia cristalului. Numarul lor depinde de natura si marimea tensiunilor aplicate in procesul de fabricatie. Astfel sunt dislocatiile, limitele de grǎunte etc.

Dupa ordinul de marime, defectele structurale sunt observabile prin:

- microscopie electronica: defectele punctiforme grupate si dislocatiile;

- microscopie optica: defectele de suprafata.

Cantitativ, imperfectiunile structurale reprezinta o mica fractiune (1 la o mie de atomi), fiind predominanta dispunerea ordonata a atomilor. Cu toate acestea, toate proprietatile dependente de microstructura sunt puternic influentate de aceste imperfectiuni. Astfel, rezistenta la tractiune a unui monocristal este de 100 pana la 1000 de ori mai mare decat a unui material policristalin.

In afara acestor imperfectiuni, cristalul poate prezenta tensiuni interne remanente, care provoaca distorsiuni elastice ale retelei cristaline. Datorita acestor distorsiuni, apar abateri pana la 1% ale parametrilor de retea. Prezenta tensiunilor interne afecteaza puternic unele proprietati, precum rezistivitatea electrica si rezistenta la coroziune a metalelor. De asemenea tensiunile interne se insumeaza cu tensiunile din exploatare, favorizand sau micsorand probabilitatea aparitiei deformarii plastice si a ruperii.

2 Imperfectiuni punctiforme

Imperfectiunile punctiforme au zero dimensiuni, pentru ca sunt la scara atomica si dimensiunile defectului sunt de ordinul de marime al constantei reticulare.

Defectele punctiforme in metale pot fi simple sau complexe.

Imperfectiunile simple cuprind: lacunele sau vacantele, atomii interstitiali si atomii de substitutie (fig. 1).

Lacunele sau vacantele sunt puncte de retea, A, neocupate de atomi. Sursele de lacune sunt regiunile cu o densitate mai mica de atomi, cum sunt suprafetele libere, limitele de graunte, dislocatiile. De exemplu un atom superficial cu o energie mai mare se poate deplasa de pe pozitia de echilibru in exterior. Prin acelasi mecanism, un atom vecin poate sari pe pozitia lacunei formate. Se produce migrarea lacunei in interiorul cristalului, concomitent cu deplasarea atomilor in sens opus. Astfel, prezenta lacunelor favorizeaza procesul de autodifuziune - deplasarea atomilor proprii in cristal in absenta unei diferente de concentratie.

Vacantele sunt defecte termodinamic stabile, aflate intr-o concentratie de echilibru, la o temperatura data. Concentratia de echilibru de vacante creste exponential cu temperatura:

Nv/N = exp (-∆Gv/kT)    (1)

unde: Nv - numarul de vacante, N - numarul de atomi din unitatea de volum; ∆Gv - entalpia libera de formare a unei vacante; k -constanta lui Boltzmann (8,62·10^-5 eV/atomK sau 1,38·10^-23 J/atomK); T - temperatura absoluta. Considerand ca energia de formare a unei vacante este ∆Gv = 0,9eV/atom, concentratia de lacune la temperatura de 1000°C este de ordinul a 10^-4, fata de 10^-17 la temperatura ambianta.

Se poate obtine o concentratie de vacante superioara concentratiei de echilibru pe cale termica prin racire rapida pentru a fixa starea de temperatura inalta, deformare plastica sau iradiere cu particule de energie inalta.

Atomii interstitiali sunt atomi straini, B, sau atomi proprii, B, in pozitii intermediare in retea.

Atomii de substitutie, C sau C', sunt atomi straini, care ocupa pozitia unei lacune.

Defectele complexe rezulta din asocierea defectelor simple (figura 2):

bivacante si trivacante - asocierea a doua sau trei vacante;

interstitial disociat D - pereche de atomi interstitiali;

crowdion E - atomi interstitiali extinsi in lungul unui sir reticular dens;

clustere F - aglomerari discontinue de atomi interstitiali sau de substitutie extinse pe zone restranse.

Defectele punctiforme provoaca deformarea elastica locala a retelei cristaline si modificarea constantei reticulare (dupa cum indica sagetile din figura 1). Vacantele si atomii de substitutie, cu raza mai mica decat raza atomilor metalului de baza, contracta constanta reticulara si introduc tensiuni interne de intindere. Atomii interstitiali si cei de substitutie, cu raza superioara razei atomului metalului de baza, dilata constanta reticulara si introduc tensiuni interne de compresiune.

Prezenta defectelor punctiforme modifica o serie de proprietati si cinetica unor transformari de faza insotite de difuzie. Astfel, defectele punctiforme constituie obstacole pentru fluxul electronic si determina cresterea rezistentei electrice. De asemenea, atomii de impuritati si mai ales clusterele sunt obstacole in deplasarea dislocatiilor, conducand la durificarea solutiei solide si scaderea plasticitatii. Prezenta lacunelor faciliteaza procesele de difuzie si accelereaza transformarile de faza cu difuzie. Difuzia controleaza in mare masura comportamentul materialelor metalice la temperaturi ridicate, in conditii de fluaj sau la tratamente termice.

In cristalele ionice, mentinerea neutralitatii electrice a cristalului impune existenta unor perechi de defecte de semn opus. Se disting (fig. 3):

- defectul Schottky, compus dintr-o vacanta anionica si alta cationica;

- defectul Frenkel, alcatuit dintr-o vacanta si ionul propriu dislocat interstitial.

In polimerii organici, apar in plus o serie de defecte punctiforme in structura lantului molecular:

- defecte de morfologie a lantului, cum este defectul Reneker (fig. 4a), care consta din modificarea modului de asociere a doua unitati structurale, urmata de configuratia initiala a lantului. Se produce o treapta in lantul molecular.

- defecte de structura sau de compozitie chimica a lantului. In figura 4b se prezinta o abatere de la structura lantului, cand apare o unitate sindiotactica intr-un lant izotactic.Aceste defecte influenteaza flexibilitatea lantului molecular la plierea in structura cristalina, deformare elastica, vibratii termice si mecanice.

Imperfectiuni liniare - dislocatii

1 Tipuri de dislocatii

Dislocatiile sunt imperfectiuni monodimensionale, la care una dintre dimensiuni este mult mai mare decat constanta reticulara.

Dislocatiile sunt siruri reticulare cu defect de coordinatie, care determina deformarea elastica a retelei cristaline pe distante mari fata de linia dislocatiei.

Cel mai simplu mecanism de generare a dislocatiilor este alunecarea asincrona (incompleta) a unei parti din cristal. Se considera un cristal, sectionat cu un semiplan ideal de taiere ABCD, de grosime infinit mica (fig. 5a), numit plan de alunecare. Directia AB, care limiteaza intern semiplanul de alunecare, poarta denumirea de linia dislocatiei sau dislocatie. Daca se exercita un efort paralel cu planul ABCD, o parte a cristalului aluneca pe distante finite. Directia, marimea si sensul deplasarii se caracterizeaza cu un vector , paralel cu planul de alunecare, numit vectorul Bűrgers.

In functie de pozitia vectorului fata de linia dislocatiei AB, exista doua tipuri de dislocatii simple:

- marginala sau pana, de tip Taylor-Orowan;

- elicoidala sau surub, de tip Bűrgers;

Dislocatia marginala se caracterizeaza prin AB (fig. 5b). Partea de deasupra planului de alunecare se deplaseaza cu portiunea hasurata (CC', DD'), ceea ce produce in aceasta zona o comprimare a planelor reticulare. Apare semiplanul reticular suplimentar sau extraplanul (ABEF), cu aspect de pana, perpendicular pe planul de alunecare si limitat de linia dislocatiei AB.

In figura 6 se prezinta aranjamentul atomic intr-o sectiune perpendiculara pe dislocatia AB, care evidentiaza extraplanul AF. Se observa ca linia dislocatiei AB este un sir reticular cu un numar de coordinatie mai redus, care separa zona alunecata de zona ramasa fixa. Prin conventie, se considera dislocatia pozitiva, daca extraplanul este situat deasupra planului de alunecare si se noteaza , respectiv negativa, daca extraplanul este sub planul de alunecare, simbolizata T.

O dislocatie se evidentiaza in reteaua cristalina cu ajutorul circuitului Bűrgers, trasat intr-o sectiune perpendiculara pe linia dislocatiei (fig. 6). Acesta este un patrulater MNPQR construit in lungul sirurilor reticulare, avand laturile opuse cu acelasi numar de distante interatomice. O retea fara dislocatii permite inchiderea circuitului. Daca in interiorul lui exista cel putin o dislocatie, apare un defect de inchidere MR, egal cu modulul vectorului Bürgers. Marimea MR este intotdeauna un multiplu al constantei reticulare.

Dislocatia elicoidalǎ se caracterizeaza prin || AB (fig. 7a). Se produce o forfecare a cristalului, cu o deplasare relativǎ pe portiunea hasurata. Planele reticulare se intersecteaza si apare o suprafata, care infasoara elicoidal linia dislocatiei AB, asemenea flancului unui surub. Prin conventie, dislocatia se considera de dreapta, daca se parcurge in sens orar si se simbolizeaza , respectiv de stanga, daca suprafata se parcurge in sens antiorar. In acest caz, se simbolizeaza .

In majoritatea cazurilor, dislocatiile sunt complexe, rezultate prin asocierea de dislocatii simple. Dislocatia mixta este caracterizata prin linia dislocatiei AB curba (fig. 7b), asa incat diferitele segmente ale liniei AB au o anumita pozitie fata de vectorul . In fiecare punct al dislocatiei, vectorul Bűrgers este constant si poate fi descompus intr-o componenta marginala Taylor (T), normala la linia AB si o componenta elicoidala Bürgers (B), tangenta la linia AB. Caracterul dislocatiei se modifica in lungul liniei dislocatiei AB. Astfel, in A este de tip elicoidal, apoi mixt, iar in B de tip marginal.

Formarea dislocatiilor mixte se datoreaza faptului ca o linie de dislocatie simpla nu se opreste in interiorul cristalului. Dislocatia se extinde pana la intalnirea suprafatei libere sau a unui obstacol ca: alte dislocatii, limita de graunte etc. Dislocatia mixta rezulta prin inlantuirea succesiva a dislocatiilor simple marginale si elicoidale, pana la atingerea suprafetei cristalului sau inchiderea unei bucle de dislocatii.

In cristalul nedeformat, dislocatiile formeaza o retea spatiala - reteaua Frank, in ochiurile careia reteaua cristalina este lipsita de dislocatii.

2 Originea dislocatiilor

Dislocatiile apar pe urmatoarele cai:

- in procesul solidificarii prin: condensarea lacunelor existente in lichid; cresterea preferentiala a cristalelor dupa treapta dislocatiei elicoidale, incidenta la suprafata de crestere; formarea de plane reticulare incomplete; alunecari cauzate de tensiunile de contact cu alti graunti in crestere, incluziunile nemetalice, peretii vasului de turnare etc; - sub actiunea tensiunilor interne provocate de procesul deformarii plastice, transformarile de faza cu variatii de volum, alierea sau racirea rapida.

Cantitatea de dislocatii se apreciaza prin densitatea de dislocatii definita ca raport intre lungimea L a dislocatiilor din volumul V:

= L / V [m^-2]    (2)

Cea mai redusa densitate de dislocatii corespunde starii de echilibru. In metalele recoapte, =10⁹ ÷ 10¹⁰ m^-2 si creste la 10¹⁶m^-2 in metalele puternic deformate la rece. Exprimat mai sugestiv, in otelul recopt exista 1km de dislocatii intr-un cm³, iar dupa deformarea la rece se ajunge la 10⁷km/cm

Densitatea de dislocatii se poate stabili prin studiul figurilor de coroziune la microscopul optic, prin microscopie electronica sau difractometrie cu radiatii X.

3 Proprietatile dislocatiilor

Dislocatiile sunt cele mai importante imperfectiuni structurale, cu rol determinant asupra proprietatilor dependente de structura. Astfel, pe baza notiunilor de teoria dislocatiilor, pot fi explicate comportarea la deformare plastica si ruperea metalelor. De aceea, cunosterea proprietatilor dislocatiilor are o deosebita importanta teoretica si practica.

Principalele proprietati ale dislocatiilor sunt:

Dislocatiile provoaca deformarea elastica a retelei cristaline pe distante mari fata de linia dislocatiei, (pana la 20 distante interatomice), marind energia cristalului. In jurul fiecarei dislocatii, se creaza un camp de tensiuni de forma cilindrica cu raza 3-4 diametre atomice. La o dislocatie marginala pozitiva (fig. 8), deasupra planului de alunecare, tensiunile sunt de compresiune, iar sub planul de alunecare, sunt de intindere.

Energia, E, de deformare elasticǎ acumulata de dislocatie se calculeaza cu relatia:

E = Gb²L    (3)

unde: G - modulul de elasticitate transversala; b -modulul vectorului Bürgers; L - lungimea dislocatiei. Aparitia unei dislocatii creste energia cristalului, ceea ce face ca dislocatia sa fie un defect termodinamic instabil.

2. Dislocatiile se deplaseaza in cristal sub actiunea unui efort tangential paralel cu vectorul Bürgers si de marime supracritica > _cr

Deplasarea dislocatiilor este favorizata de tendinta spontana de reducere a energiei cristalului, prin refacerea simetriei retelei cristaline.

Dislocatiile marginale se pot deplasa prin alunecare (slip) si catarare (climb).

Deplasarea prin alunecare (fig. 9) are loc intr-un plan ce contine linia dislocatiei si vectorul Bürgers . Deplasarea este perpendiculara pe dislocatie si paralela cu directia vectorului . Deplasarea se face progresiv, pana la eliminarea dislocatiei sub forma de treapta la suprafata cristalului, ceea ce modifica ireversibil forma cristalulului sau pana la blocarea dislocatiei de catre obstacole.

Pentru majoritatea materialelor deplasarea dislocatiilor pe planele de alunecare constituie mecanismul de baza al deformarii plastice la rece (temperatura de deformare inferioara temperaturii de recristalizare). Este un mecanism care necesita eforturi mici si nu depinde de temperatura. In absenta dislocatiilor, eforturile de forfecare, pentru a deplasa o parte a cristalului in raport cu alta, sunt mari, deoarece este necesara ruperea simultana a tuturor legaturilor dintre toti atomii adiacenti planului de alunecare. Deplasarea prin cristal a unei dislocatii marginale necesita eforturi mult mai reduse, deoarece implica numai ruperea legaturilor dintre atomii a doua siruri reticulare adiacente planului de alunecare. Mai sugestiv, deplasarea pe o suprafata plana a unui covor de dimensiuni mari se face mai usor prin formarea unei cute la unul din capete si deplasarea acesteia in lungul covorului.

In cristalele metalice (izotrope) planele preferentiale de alunecare a dislocatiilor marginale sunt cele de densitate atomica maxima: pentru CFC, pentru CVC si pentru HC. In cazul cristalelor ionice, miscarea dislocatiilor este favorizata de planele care nu pun in contact ioni de acelasi semn. De aceea, la MgO, care are structura CFC, planele de alunecare sunt .

In cristalele cu legatura covalenta, dislocatiile se deplaseaza cu dificultate datorita caracterului orientat al legaturii. Din aceasta cauza, ceramicele ionice si covalente au un numar mic de dislocatii mobile. Spre deosebire de metale, ceramicele au o deformabilitate foarte redusa, avand comportament fragil. Polimerii semicristalini sunt de asemenea in marea lor majoritate fragili, datorita faptului ca mobilitatea dislocatiilor este limitata de prezenta lanturilor moleculare si a masei amorfe.

Deplasarea prin 'catarare' a dislocatiei marginale este perpendiculara pe planul de alunecare (fig. 10). Pentru pozitia A'B' este necesara migrarea prin difuzie a sirului reticular AB, iar pentru pozitia A'B' aportul prin difuzie a unui nou sir reticular. Deoarece difuzia este activata de cresterea temperaturii, acest mecanism este prezent numai la temperaturi ridicate. El contribuie, de exemplu, la deformarea plastica la cald sau in conditii de fluaj a materialelor metalice.

Dislocatia elicoidala se deplaseaza numai prin alunecare, perpendicular pe dislocatie si vectorul Bürgers, asemenea intersectiei lamelor unui foarfece la inchidere sau deschidere (fig. 7). Deoarece linia dislocatiei este paralela cu vectorul Bürgers, planul de alunecare nu este definit univoc si de aceea orice plan de densitate atomica maxima, care trece prin linia dislocatiei, este un plan de alunecare posibil. Ca urmare, la intalnirea unui obstacol, dislocatia elicoidala isi poate schimba planul de alunecare prin alunecare deviata (cross slip).

Dislocatiile interactioneaza intre ele, in scopul reducerii energiei cristalului.

Dislocatiile din acelasi plan de alunecare, de acelasi tip si semn se resping, pentru ca la apropiere maresc distorsiunea retelei, iar cele de semne contrare se atrag compensandu-se (fig.11a). Interactiunea dislocatiilor de semne contrare, din plane de alunecare paralele apropiate este aceeasi si este insotita de aparitia de lacune sau atomi interstitiali (fig. 11b).

Dislocatiile marginale de acelasi semn, din plane de alunecare paralele distantate, se atrag si se dispun una sub alta intr-o configuratie de minima energie, numita perete de dislocatii (fig. 11c).

Interactiunea dislocatiilor din plane de alunecare, care se intersecteaza, poate produce o frangere reciproca a dislocatiilor. Apar trepte in dislocatii, care nu influenteaza deplasarea dislocatiilor marginale, dar franeaza deplasarea dislocatiilor elicoidale. In figura 11d se prezintǎ generarea treaptei la o dislocatie marginalǎ.

Dislocatiile interactioneaza cu defectele punctiforme.

In interactiunea lor, dislocatiile sunt surse de lacune si de atomi interstitiali (fig. 13b). Atomii dizolvati interstitial segrega in zonele dilatate din vecinatatea liniei dislocatiilor. Se formeaza 'atmosfere Cottrell' de impuritati, care micsoreaza mobilitatea dislocatiilor si cresc rezistenta la deformare plastica.

Aceasta interactiune explica fenomenul punctului de curgere la otelurile cu continut redus de carbon, durificarea solutiilor solide, imbatranirea mecanica etc.

5. Dislocatiile se multiplica prin surse Frank-Read.

O sursa Frank-Read (fig. 12) este o dislocatie cu capetele blocate in punctele A si B ale planului de alunecare (stadiul 1). Sub actiunea unei tensiuni perpendiculare pe axa dislocatiei, superioare unei valori critice, se produce curbarea dislocatiei (stadiul 2) panǎ la forma unei semicerc (stadiul 3). Dislocatia se propaga in continuare sub forma a doua spirale, care in final se ating si formeaza o bucla inchisa (stadiile 4, 5, 6). Bucla se separa de dislocatia mama (stadiul 7) si un nou sector al dislocatiei este adus in pozitia initiala. Sursa continua sa emita noi dislocatii. Bucla exterioara creste pana atinge suprafata cristalului, unde creaza o treapta sau pana intalneste un obstacol.

Tensiunea critica, care activeaza o sursa Frank-Read, este data de relatia:

_cr = Gb / L (4)

Tensiunea critica scade pentru dislocatiile lungi, deplasate pe distante scurte.

Mecanismul de formare de noi dislocatii prin surse Frank-Read explica capacitatea mare de deformare plastica a unor metale. Astfel, eliminarea dislocatiilor in procesul de deformare plastica la suprafata piesei este compensata de crearea de noi dislocatii prin sursele Frank Read. Pe de alta parte, formarea de noi dislocatii, care se blocheaza intern la obstacole, determina cresterea rezistentei la deformare plastica.

6. In planele de alunecare dislocatiile se grupeaza la obstacole.

Dislocatiile se acumuleaza la limita de graunte, particulele de faza secundara, dislocatiile imobile, incluziunile nemetalice, unde genereaza un camp de tensiuni, care impiedeca continuarea alunecarii. Este necesar un efort superior pentru antrenarea dislocatiilor dupa alte sisteme de alunecare, orietate mai putin favorabil fata de efort. Ca urmare acumularea dislocatiilor la obstacole determina cresterea rezistentei la deformare plastica si micsorarea plasticitatii, stare cunoscuta sub numele de ecruisare.

Depasirea unui obstacol se poate face prin schimbarea planului de alunecare sau prin ocolire. In figura 13a se prezinta ocolirea precipitatelor de faza secundara prin curbarea dislocatiei si formarea unor bucle de dislocatii in jurul precipitatelor.   Acest proces sta la baza durificarii prin precipitare.

Limita de graunte (fig. 13b) este un obstacol, care nu poate fi ocolit si determina blocarea dislocatiilor. Generarea unor tensiuni suficient de mari poate conduce la formarea de microfisuri si la initierea ruperii.

4 Influenta dislocatiilor asupra rezistentei la deformare plastica

Din figura 14 se observa ca, rezistenta la deformare plastica ( ) a materialelor cristaline variaza in functie de densitatea de dislocatii ( ) dupa o curba cu minim.

In cristalul ideal = 0, iar rezistenta teoretica este maxima (punct 1).

Rezistenta minima _o (punct 2) corespunde starii de echilibru a materialului policristalin, caracterizata prin densitatea de dislocatii _o (10⁹÷10¹⁰m^-2 pentru otelul recopt). Curba ) va caracteriza la < monocristalele, iar - materialele policristaline. In monocristale, cresterea densitatii de dislocatii le micsoreaza rezistenta, spre deosebire de materialele policristaline, la care cresterea densitatii de dislocatii este insotita de durificare.

In consecinta, rezistenta la deformare poate creste pe doua cai:

I - crearea de monocristale cu o densitate redusa de dislocatii (zona 3), pentru a obtine o rezistenta apropiata de cea teoretica.

In prezent se pot obtine monocristale filiforme cu densitate redusa de dislocatii, numite whiskers (engleza), barbes sau poils (franceza), cu diametrul 0,5÷2 m si lungimi 2÷10mm. In tabelul 1 se exemplifica rezistenta de rupere la tractiune a unor whiskers de metale si materiale ceramice, comparativ cu ale metalelor policristaline tehnic pure.

Datorita dimensiunilor foarte mici, monocristalele filiforme se folosesc in materialele compozite, alcatuite dintr-o matrice tenace din Cu, Al, Ag, aliaj Ni-Cr, polimeri, si elemente de armare din whiskers din W, Mo, Al₂O₃, B, C, B₄C, SiC, fibre de sticla etc. Rezistenta materialelor compozite este de 5-10 ori mai mare decat a matricei. Rezistenta se mareste cu cresterea diferentei dintre modulele de elasticitate ale matricei si fibrelor, cresterea fortelor de coeziune matrice-fibre, micsorarea diametrului fibrelor si a distantei dintre ele.

Tabel 1 Rezistenta la tractiune a unor whiskers si metale policristaline (N/mm²)

II - cresterea densitatii de dislocatii in materialelele policristaline (zona 4, din figura 16). Pe acest principiu se bazeaza durificarea materialelor metalice prin ecruisare, aliere, calirea otelului etc.

Relatia dintre limita de curgere, _c, ca indicator global al rezistentei la deformare plastica si densitatea de dislocatii, , este:

_{c o} G b (5)

unde _o - limita de curgere la starea de echilibru, recoapta; - coeficient de durificare, care depinde de tipul de retea cristalina si compozitia chimica a aliajului. Densitatea de dislocatii se limiteaza la 10¹⁶÷10¹⁷m^-2. La valori mai mari, se produce fragilizarea materialului.

4 Imperfectiuni de suprafata

Defectele de suprafata sunt imperfectiuni bidimensionale, doua dintre dimensiuni fiind mult mari decat constanta reticulara. Analiza structurii unui material policristalin (fig. 15) arata ca este alcatuit din graunti cu orientare arbitrara a retelei cristaline, iar fiecare graunte poate fi subdivizat in subgraunti formati din microblocuri in mozaic.

Defectele de suprafatǎ sunt: limita de graunte, limita de subgraunte, structura de blocuri in mozaic, limita de macla etc.

1. Limita de graunte este suprafata de separatie a doi graunti cristalini vecini, al caror unghi , de dezorientare a retelelor cristaline, este de ordinul zecilor de grade (fig. 16).

Limita de grǎunte este o zona de tranzitie, cu grosimea de doua pana la trei distante interatomice, care, prin orientarea progresiva a atomilor, asigura racordul retelelor cristaline vecine. Grosimea limitei de graunte si gradul de distorsiune a retelei depind de orientarea relativa a grauntilor si de prezenta impuritatilor.

Limita de graunte este o zona de energie interna inalta, datorita concentrarii defectelor structurale (lacune, atomi straini, dislocatii). In consecinta, limitele de graunte au urmatoarele proprietati:

- reactivitatea chimica ridicata, care se manifesta prin dizolvarea energica a limitelor in medii corozive (coroziune intercristalina) si prin atacul metalografic preferential la limita de graunte;

- tendinta spontana a grauntilor de a-si reduce energia    superficiala, asigurata de raportul minim dintre suprafata si volumul grauntilor. De aceea, la mǎrirea temperaturii, grauntii cristalini cresc, tinzand spre forma sferica de raza maxima;

- sunt sediul de initiere a transformarilor de faza in stare solida si de precipitare a noii faze .

Limita dintre grauntii de aceeasi natura este intotdeauna incoerenta; nici un plan cristalografic dintr-o parte a acesteia nu-si pastreaza coerenta de cealalta parte, astfel incat dislocatiile nu o pot traversa sau ocoli. Limita de graunte este un obstacol la care se acumuleaza dislocatii. De aceea, cantitatea de limita de graunte, evaluata prin marimea de graunte, influenteaza puternic proprietatile fizico-mecanice dependente de microstructura. Granulatia fina (cantitate mare de limita de graunte) asigura valori ridicate ale rezistentei mecanice la rece, rezistentei la deformare plastica, plasticitatii, tenacitatii, rezistentei la oboseala, fortei coercitive, rezistivitatii electrice etc. Granulatia grosiera favorizeaza rezistenta mecanica la temperaturi ridicate, permeabilitatea magnetica, prelucrabilitatea prin aschiere, calibilitatea etc.

Dependenta rezistentei la deformare plastica la rece _c in functie de diametrul mediu de graunte d se exprima prin relatia lui Petch:

_{c o} + k/d^-1/2    (6)

unde _o , k - constante de material.

2. Limita de subgraunte (sublimita) este o suprafata de separatie intre portiuni ale aceluiasi graunte cristalin, dezorientate cu un unghi de ordinul gradelor (fig. 17). Se observa ca majoritatea planelor cristalografice isi pastreaza coerenta, dislocatiile putand trece pe aceste plane dintr-o parte in alta a sublimitei.

Sublimita este un perete de dislocatii, rezultat al interactiunii dislocatiilor de acelasi tip si semn din plane de alunecare paralele (Fig.13c). Apare in procesul cristalizarii sau prin redistribuirea dislocatiilor la recristalizarea materialului ecruisat.

Structura de blocuri in mozaic. S-a constatat ca si in absenta sublimitelor, un graunte cristalin este alcatuit din microblocuri elementare de ordinul de marime 0,01-1mm, care sunt dezorientate reciproc de la cateva secunde la 10-20 minute. Structura de blocuri in mozaic este data de reteaua Frank de dislocatii din cristal. In interiorul unui bloc nu exista dislocatii. Cresterea densitatii de dislocatii este insotita de finisarea blocurilor in mozaic si marirea rezistentei la deformare plastica.

Limita de macla este o interfata plana, coerenta, in cadrul unui graunte cristalin monofazic, care separa macla de restul cristalului.

Macla (fig. 18) este o portiune din cristal deplasata, astfel incat reprezinta imaginea simetrica a zonei ramase fixe, in raport cu un plan de maclare. La microscop, macla apare ca o banda cu limitele de macla paralele. La un atac metalografic mai intens, macla este de culoare contrast fata de restul grauntelui.

Maclele sunt de origine mecanica sau de crestere. Maclele mecanice apar in procesul deformarii plastice. Sunt specifice pentru structurile cristaline cu putine sisteme de alunecare, cum este structura hexagonal compacta (Zn, Co, Mg etc.) sau tetragonala cu volum centrat (Sn Maclele de crestere sau de recoacere apar in procesul de recristalizare a materialului ecruisat la structura cubica cu fete centrate (Cu, otel austenitic etc).

5 Rezumat si concluzii

Cristalul real se abate de la modelul ideal pentru ca prezinta o serie de defecte la scara atomica, care influenteaza in mod decisiv proprietatile dependente de microstructura. Din punct de vedere geometric, defectele structurale pot fi punctiforme, liniare si de suprafata.

Defectele punctiforme, simple (vacante, atomi interstitiali sau de substitutie) sau complexe (interstitial disociat, crowdion sau cluster), deformeaza elastic local reteaua cristalina, introducand local tensiuni interne, cu efect de modificare a unor proprietati (creste rezistenta electrice si rezistenta la deformare plastica).

Dislocatiile sunt defectele liniare, care produc deformarea elastica a retelei spatiale pe distante mari fata de linia dislocatiei. Dislocatiile simple pot fi marginale, daca vectorul Bürgers este perpendicular pe linia dislocatiei sau elicoidale, daca vectorul Bürgers este paralel cu aceasta. Prezenta dislocatiilor in reteaua cristalina se poate evidentia cu ajutorul circuitului Bürgers. Dislocatiile complexe rezulta prin asocierea de dislocatii simple. Dislocatia mixta se caracterizeaza printr-o linie a dislocatiei curba, ca urmare a inlantuirii succesive de dislocatii marginale si elicoidale. In cristalul in stare de echilibru, dislocatiile alcatuiesc reteaua spatiala Frank, in ochiurile careia nu exista dislocatii.

Dislocatiile determina in reteaua cristalina un camp cilindric de tensiuni elastice, care mareste energia cristalului. Interactiunea dislocatiilor intre ele, cat si cu celelate defecte structurale este o interactiune intre campurile de tensiuni ale acestora, care tinde sa reduca energia cristalului. Deplasarea dislocatiilor prin alunecare sta la baza procesului de deformare plastica la rece a materialelor metalice. Blocarea dislocatiilor la obstacole determina starea de ecruisare, caracterizata prin cresterea rezistentei la deformare plastica. Ceramicele si polimerii organici tridimensionali au dislocatii cu mobilitate redusa, ceea ce le confera un comportament fragil.

Rezistenta la deformare plastica a unui monocristal scade cu cresterea densitatii de dislocatii. La materialele policristaline durificarea este asigurata de o densitate marita de dislocatii, realizata prin calire, aliere sau deformare plastica la rece.

Defectele de suprafata sunt defecte structurale du doua dimensiuni - suprafete. Limitele de graunte reprezinta suprafete de separatie intre graunti cristalini, a caror dezorientare a retelei cristaline este de ordinul zecilor de grade. Limita intre graunti cristalini de aceeasi natura, este incoerenta. Suprafetele interfazice, care separa graunti cristalini de natura diferita, pot fi incoerente sau coerente. Suprafetele coerente pot fi traversate de dislocatii. Limitele de graunte si suprafetele interfazice incoerente constituie blocaje in planele de alunecare a dislocatiilor, cu efect de durificare.

Sublimitele sunt pereti de dislocatii, care determina dezorientarea unor volume din grauntele cristalin sub unghiri mici, de ordinul gradelor. Sublimitele prezinta o coerenta partiala a planelor de alunecare, fiind traversate de dislocatii.

Structura de blocuri in mozaic reprezinta microvolume dezorientate sub unghiuri sub 20 secunde, determinate de reteaua Frank de dislocatii.

Limita de macla este o interfata plana coerenta, care separa macla de restul grauntelui. Controlul strict al naturii si cantitatii defectelor structurale permite obtinerea de materiale cu un complex dorit de proprietati fizico-mecanice.

Defectele de impachetare sunt suprafate de separatie intre portiuni ale aceluiasi graunte cristalin, in care s-a produs o modificare a succesiunii normale a planelor de densitate atomica maxima.