Odkształcenie monokryształów i stopów polikrystalicznych

Magnez i jego stopy ze względu na heksagonalny charakter komórki elementarnej wykazują słabą odkształcalność w temperaturze otoczenia [21, 130, 131]. Dyslokacje w sieci heksagonalnej można pogrupować w trzech rodzinach: <a>, <c>, <a+c> [132]. Na rysunku 18 zaprezentowano obraz sieci heksagonalnej z zaznaczeniem poszczególnych płaszczyzn i kierunków, wraz ze sposobami ich wskaźnikowania.

Rysunek 18. Płaszczyzny sieciowe w układzie heksagonalnym [133].

W przypadku struktury heksagonalnej wyróżnia się dyslokację typu a (płaszczyzny bazalnej) o wektorze Burgersa a/3[2̅110], dyslokację typu c o wektorze Burgersa a/2[0001] i dyslokację typu c+a o wektorze Burgersa a/3[2113]. W systemie bazalnym dyslokacja doskonała a/3[2110] może ulegać dysocjacji na dwie dyslokacje częściowe Shockleya a/3[1010] i a/3[1100] zgodnie z wzorem 2:

a/3[21̅1̅0]→ a/3[101̅0] + a/3[1̅1̅00] (2)

Dysocjacja wywołuje błąd ułożenia o energii wynoszącej 125mJ/m2

Dyslokacje częściowe Franka o wektorze Burgersa a/2[0001] prostopadłym do płaszczyzny bazalnej mogą istnieć wyłącznie z podwójnym błędem ułożenia. Natomiast może tworzyć się dyslokacja złożona Franka- Shockleya: a/6[2023], określająca także poślizg w systemie <c>.

Łatwy poślizg dyslokacji występuje w systemie {0001}<1120>, podobnie jak w pozostałych metalach heksagonalnych. Poślizg możliwy jest również w płaszczyźnie pryzmatycznej{101̅0}<1120> i piramidalnej {1011}<1120>. Według danych literaturowych wartość krytycznego naprężenia poślizgu w płaszczyźnie bazalnej w przybliżeniu stanowi 1/100 wartości naprężenia w płaszczyznach odpowiednio pryzmatycznej i piramidalnej [131, 133, 134].

Stwierdzono istotny wpływ temperatury na mechanizm odkształcenia plastycznego magnezu. Dyslokacje typu a dominują w temperaturze od 20 do 100ᵒC. W wyższej temperaturze udział dyslokacji typu a zmniejsza się na rzecz dyslokacji typu c+a. Udział dyslokacji typu c nie zależy od temperatury. W temperaturze pokojowej system {0001}<1120> jest podstawowym systemem poślizgu. Zwiększenie temperatury uruchamia poślizg w płaszczyźnie piramidalnej {1011}<1120> i nie dotyczy przemieszczeń <0001>, tym samym nie następuje relaksacja naprężeń wzdłuż osi c przez układy poślizgowe, które działają powyżej pewnej temperatury krytycznej i jest kompensowany przez intensywne bliźniakowanie w systemie {1012}<1011>. Innymi słowy, podwyższenie temperatury prowadzi do zmiany relacji pomiędzy naprężeniem krytycznym systemów poślizgu sieci HZ (ang critical resolved shear stress - CSRSS), co przejawia się zwykle uruchomieniem poślizgów w innych systemach.

W temperaturze pokojowej poślizg w systemie piramidalnym zaobserwowano tylko w przypadku gdy oś rozciągania była nachylona względem płaszczyzny bazalnej (0001) o 6°. Natomiast system pryzmatyczny działa w zakresie temperatur pokojowych i niskich pod warunkiem zorientowania kryształu w sposób wykluczający poślizg w płaszczyźnie bazalnej. Poślizg w systemie podstawowym, w płaszczyźnie bazalnej (0001) nie zapewnia homogenicznego odkształcania plastycznego magnezu w postaci polikrystalicznej. Kierunki wektora Burgersa dyslokacji typu a płaszczyzny bazalnej będąc prostopadłe do osi c, uniemożliwiają tym samym odkształcanie w tym kierunku.

Podsumowując, dla metali o strukturze heksagonalnej uprzywilejowany jest poślizg poprzeczny w płaszczyźnie podstawowej (bazalnej), energetycznie korzystne jest połączenie

<c+a> poprzez poślizg poprzeczny dyslokacji c+a z płaszczyzny (1100) na płaszczyznę piramidalną II rzędu (1122).

Ze względu na brak wystarczającej liczby niezależnych systemów poślizgu, pozwalających na jednorodność odkształcenia polikrystalicznego magnezu, ważną rolę w odkształceniu plastycznym odgrywa bliźniakowanie. Systemy bliźniacze to bliźniaki rozciągania i bliźniaki ściskania. Układy bliźniacze są opisane przez ich płaszczyznę bliźniaczą, tj. płaszczyznę symetrii pomiędzy siecią pierwotną i bliźniaczą zawierającą ich wektor ścinania. Stopy magnezu odkształcają się głównie za pośrednictwem dwóch systemów bliźniakowania: {1012} i {1011}. Niektóre zaś dane literaturowe sugerują, że w metalach o strukturze heksagonalnej dostępnych jest co najmniej siedem trybów bliźniaczych. Systemy te obejmują następujące płaszczyzny {1011}, {1012}, {1013}, {2111}, {2112}, {2113}, oraz {2114}[134,135]. Systemy bliźniakowania w układzie heksagonalnym zilustrowano na rysunku 19.

Rysunek 19. Podstawowe systemy bliźniakowania w sieci heksagonalnej [138].

Bliźniakowanie występujące w płaszczyźnie piramidy umożliwia odkształcenie magnezu w kierunku prostopadłym do powierzchni bazalnej. Może to być rozciąganie lub ściskanie w kierunku osi c. Barnett w pracy [136] stwierdził, że bliźniaki, które powodują wydłużenie wzdłuż osi c w magnezie i jego stopach, wydają się zwiększać równomierne wydłużenie w testach rozciągania. Według autorów publikacji [137] bliźniaki rozciągania, które prowadzą do akomodacji odkształcenia rozciągającego wzdłuż osi c, pojawiają się w systemie {101̅2}, <101̅2>. Natomiast bliźniaki ściskania są aktywowane w systemie {101̅2}, <101̅2> przy wyższych wartościach CSRSS. Bliźniakowanie zmierza do kompensowania braku odkształcenia w osi c, gdy poślizg odbywa się wzdłuż kierunku

<a>. W pewnych warunkach obciążenia, jak pokazano w pracy [138] poślizg poprzeczny

w systemie bazalnym oraz w systemie, w którym występują bliźniaki rozciągania {1012} nie jest zależny od temperatury. Poślizgi w systemie pryzmatycznym oraz piramidalnym

drugiego rzędu są wyraźne i mierzalne powyżej 300ᵒC. Zarówno system {1011} jak i {1013}, w których przeważają bliźniaki ściskania są silnie zależne od temperatury.

Odkształcalność polikrystalicznych stopów magnezu w temperaturze pokojowej jest utrudniona z powodu silnej skłonności do powstawania tekstury, która z kolei decyduje o anizotropii własności. Odkształcalność ograniczają również granice bliźniacze stanowiące barierę dla poślizgu. Powodują one rotację biegunów bazalnych w kierunku odkształcenia plastycznego wywołując szybkie umocnienie i nieliniową charakterystykę mechaniczną stopu. Bliźniakowanie wywołuje rotację ziarn i przyczynia się do powstawania silnej tekstury, ale odpowiada również za rozdrobnienie ziarn [137].

Podobnie, jak w czystym, monokrystalicznym magnezie, w jego polikrystalicznych stopach, aktywacja poszczególnych systemów poślizgu zależy od temperatury odkształcenia. W tym przypadku systemy inne niż system podstawowy (systemy niebazalne), mogą być łatwo aktywowane jedynie w podwyższonych temperaturach i przy wysokiej wartości krytycznego naprężenia poślizgu (ang critical resolved shear stress - CSRSS) [131,137]. Skoro każdy z systemów ma inne CRSS, to tylko system bazalny ulega aktywacji w temperaturze pokojowej [138].