Dislokácie - bez nich to jednoducho nejde

Napadlo Vás už niekedy, ako je možné, že je človek schopný deformovať kovové materiály? Prečo vôbec dochádza najprv k zdeformovaniu a až potom k poškodeniu materiálu (k jeho prasknutiu, pretrhnutiu – teda k lomu)? A z akého dôvodu je tyč z ocele napr. 10216 (oceľ obvyklej akosti – podľa európskej normy EN 80-69) ohybnejšia (resp. menej pevná) v porovnaní napríklad s oceľou 19152 (uhlíková nástrojová oceľ EN 96-79)? Zájdem ešte ďalej a položím otázku v súvislosti s domácnosťou: prečo sa klinec pri jeho vbíjaní do steny ohne? A prečo sa zlomí, ak sa nám ho podarí viackrát vyrovnať a opätovne ohnúť? Čo sa skrýva za týmto dejom, s ktorým sa stretávame takmer na každom kroku? Relatívne správnou odpoveďou na všetky vyššie spomínané otázky by bolo: „Vlastnosti kovových materiálov závisia od ich vnútornej štruktúry, ktorá je podmienená chemickým zložením materiálu a jeho tepelným spracovaním. Štruktúra ocelí na výstuž do betónu, prípadne ocele na výrobu klincov je húževnatejšia, napriek tomu nástrojové ocele majú štruktúru, ktorá je oveľa pevnejšia a dovoľuje menšiu deformáciu.“

Odpoveď je správna, avšak naozaj iba relatívne, pretože sa nad touto problematikou treba zamýšľať hlbšie. Hlbšie znamená pochopiť fyzikálny princíp deformácie kovových materiálov. Deformácia sa totiž v prípade týchto materiálov uskutočňuje pohybom tzv. dislokácií. Aby sme si mohli predstaviť ako prebieha pohyb dislokácií a teda ako prebieha deformácia, v prvom rade si musíme vedieť predstaviť samotnú dislokáciu. Dislokácií je viacero druhov, pre jednoduchosť tzv. first-touch vysvetlenia si ukážeme najprv tzv. hranovú dislokáciu.

Kovové materiály sú charakteristické usporiadanou atómovou mriežkou, kedy v ideálnom prípade u čistého kovu sú všetky atómy od seba rovnako vzdialené. V takomto priestorovom usporiadaní mriežky sú definované jednotlivé kryštálové roviny (plošný útvar v mriežke, ktorý obsahuje všetky atómy z jednej úrovne mriežky).

 

kovová mriežka

 

Ak by sme urobili takouto ideálnou mriežkou rez kolmo na systém navzájom rovnobežných a k nim kolmých rovín, dostali by sme akúsi sieť so štvorcovými okami. Každý priesečník mriežky v podstate predstavuje jeden atóm. Ak by sme jednu z rovín nejakým spôsobom skrátili (ako je to na obrázku), vznikla by v mriežke štruktúrna chyba, ktorú nazývame hranovou dislokáciou.

 

dve hranové dislokácie v mriežkepohyb dislokácie

 

 

Táto dislokácia spôsobí zdeformovanie okolitých rovín a predstavuje akýsi voľný priestor v mriežke. Dôležitou vlastnosťou dislokácie je jej schopnosť pohybovať sa v kryštálovej mriežke. Na to, aby mohlo dôjsť k jej pohybu, ako je to znázornené na obrázku, je potrebné určité vonkajšie napätie vyvolané vonkajšou silou. Bez dislokácií a bez určitého napätia nemôže dôjsť k deformácii a teda bez týchto dvoch faktorov by sme neboli schopní ohnúť, prípadne tvárniť žiaden kovový materiál. Dislokácie sú prirodzenou súčasťou kovových materiálov, vznikajú napr. pri tuhnutí taveniny, ale dokážu vznikať aj pri pôsobení vonkajšieho napätia z tzv. zdrojov dislokácií o ktorých budeme písať niekedy nabudúce. Samotný pohyb dislokácií sa uskutočňuje väčšinou sklzom. Jednoducho si to možno predstaviť na ľudských dlaniach. Ak by sme ich mali navzájom zlepené, nemohli by sme jednou dlaňou skĺznuť po druhej, ale keďže ich zlepené nemáme (je medzi nimi akoby voľná rovina), môže jedna dlaň skĺznuť po druhej. Podobne je to v materiáli – jeden celistvý blok mriežky sa pri pôsobení vonkajšieho zaťaženia skĺzne po druhom bloku prostredníctvom dislokácie, ktorá sa tým pádom pohne.

Ako bola dokázaná existencia dislokácií? Predstavme si napr. ideálny kryštál bez vnútorných chýb a pokúsme sa vykonať sklz všetkých atómov v jednej rovine pomocou určitého uniformovaného napätia a to tak, že každý atóm roviny sa posunie smerom dolu v rovnakom čase. Strihové napätie potrebné k uskutočneniu tohto procesu predstavuje napr. napätie potrebné k strihu roviny o približne jednu štvrtinu atómovej vzdialenosti vzhľadom na rovinu pod ňou. Po dosiahnutí tohto bodu rovina následne preskočí zvyšok trajektórie k najbližšej rovnovážnej pozícii. Napätie potrebné pre získanie takéhoto množstva elastického posuvu je možné vypočítať vynásobením strihovej deformácie modulom pružnosti v strihu. Výsledok však predstavuje 1000 až 10 000 násobok reálne nameraného strihového napätia potrebného na sklz pri monokryštáloch. Táto odlišnosť medzi vypočítanými a nameranými medzami sklzu kryštálov viedla k vytvoreniu viacerých veľmi dôležitých teórií popisujúcich plastické vlastnosti kryštalických materiálov a teda k nutnosti existencie dislokácií v materiáli.