TERÄSOPAS
4. Teräksen käyttäytyminen jännityksen alaisena
4.1 Kimmoinen ja plastinen muodonmuutos
Jännityksen vaikutuksesta teräs myötää joko kimmoisesti tai kimmottomasti eli plastisesti. Kimmoisella myötämisellä tarkoitetaan tällöin muodonmuutosta, joka palautuu täydellisesti kun jännitys lakkaa vaikuttamasta. Kimmoton eli plastinen myötäminen tarkoittaa muodonmuutosta, joka on pysyvä, eikä palaudu, kun jännitys lakkaa vaikuttamasta.
Kimmoisten muodonmuutosten matemaattisia lakeja käsitellään kimmoteoriassa ja plastisten muodonmuutosten lakeja plastisiteettiteoriassa. Nämä kummatkin ovat formaalisia teorioita, jotka perustuvat idealisoituun käsitykseen teräksen mikrorakenteesta ja käyttäytymisestä jännityksen alaisena.
Todellista pohjaa lujuusominaisuuksien ymmärtämiselle on antanut vasta muodonmuutosmekanismien atomaarisen luonteen selvittäminen ja tämän työn perustan muodostaa nykyään dislokaatioteoria.
Käytännössä metallit esiintyvät monirakeisina, jolloin yksityiset rakeet ovat yleensä satunnaisesti suuntautuneet toisiinsa nähden (kuva 43).
Kuva 43.Kaavio monirakeisen metallin läpileikkauksesta.
4.1.1 Kiteen rakenne
Kaikki metallit jähmettyvät sulasta tilasta kiteiseen olomuotoon, millä tarkoitetaan sitä, että metalliatomit asettuvat tiettyyn järjestykseen toisiinsa nähden ja tämä järjestys toistuu ideaalisessa kiteessä säännönmukaisesti. Ideaalista kidettä voidaan kuvata täten kolmiulotteisella ristikolla, hilalla, jonka risteyskohdissa metalliatomit tai atomiryhmät todellisessa kiteessä sijaitsisivat. Atomit voidaan tällöin kuvitella kimmoisaksi palloksi, jotka kiteessä sivuavat toisiaan tietyissä suunnissa. Kidettä koossapitävä voima muodostuu siten, että atomit ovat kiteessä ioneina. Tällöin ne ovat luovuttaneet pois uloimmat valenssielektroninsa, joista muodostuu metalli-ioneja yhteensitova "elektronipilvi". Tämän elektronipilven elektronit voivat liikkua vapaasti metalli-ionien välissä, mihin perustuu metallien hyvä lämmön- ja sähkönjohtavuus. Koska metalli-ionien väliset sidokset eivät ole mihinkään hilasuuntiin sidottuja, voi metalli muokkautua suurestikin ilman, että kiteinen rakenne häviäisi. Metallin kiderakenne muodostuu jähmettymisessä siten, että metalliatomit muodostavat atomitasoja, joissa kutakin atomia sivuaa kuusi muuta atomia (kuva 44).
Kuva44.Tiivispakkauksinen taso
Allotrooppisen muutoksen tapahtuessa 910°C:n lämpötilassa järjestyvät atomit kuitenkin uudelleen siten, että koordinaatioluvuksi tulee 8. Tällöin ei rakenteessa esiinny lainkaan tiiviisti pakattuja tasoja, millä on suuri merkitys ferriitin ominaisuuksille austeniittiin verrattuna.
Näiden kahden eri kiderakenteen havainnollistamiseksi voidaan kide jakaa tietyt symmetriaehdot täyttäviin rakenneyksiköihin, jotka on siten valittu, että kiderakenne voidaan muodostaa näitä, ns. yksikkökoppeja, kolmeen ulottuvuuteen toistamalla. Austeniitin yksikkökoppi on pintakeskinen kuutio, jossa on atomit kaikissa kuution nurkissa sekä tahojen keskellä (kuva 45 a).
Ferriitin yksikkökoppi on tilakeskinen kuutio, jossa ovat atomit kuution nurkissa ja keskellä (kuva 45 b).
Kuva45a.Pintakeskinen kuutio. Kuva45b.Tilakeskinen kuutio
Pintakeskisessä kuutiossa ovat tiiviisti pakattuja tasoja kaikki lävistäjä- eli oktaedritasot, joita on kaikkiaan neljä eri suuntaista paria. Tiivispakkauksisia suuntia on yhteensä 12 kpl (kuva 46). Tilakeskisessä kuutiossa ei sen sijaan ole lainkaan tiiviistipakattuja tasoja. Tiiviisti pakattuja suuntia on sen sijaan 8 kpl.
Kuva46.Tilakeskinen kuutiohilan yksikkökoppi,
johon on merkitty kaksi kahdeksasta
erisuuntaisesta tiivispakkauksisesta tasosta
4.1.2 Virheettömän kiteen muodonmuutos
Yksityisessä kiteessä tapahtuu muodonmuutos aina tiiviisti pakattujen tasojen (pintakeskinen kuutio) suuntaisena tai tiiveimmin pakattujen tasojen (tilakeskinen kuutio) suuntaisina siirrosliukumisina (kuva 47). Liukumissuunta näissä ns. liukutasoissa noudattaa aina tiiviisti pakattuja suuntia, joissa suunnissa metalli-ionit olivat lähinnä toisiaan.
Kuva 47. Siirrosliukuminen erillisessä metallikiteessä.
Suurin kimmoinen siirrosliukuma on pienempi kuin 1/4 atomietäisyyttä. Kun jännitys lakkaa vaikuttamasta palautuvat liukutasot tällöin entiseen tasapainoasemaan. Kun siirrosliukuma on = 1/4 atomietäisyyttä, on tilanne epävakaa ja johtaa yleensä siihen, että tiiviistipakatut tasot asettuvat uuteen tasapainoasemaan siirtymällä vielä 3/4 atomietäisyyttä toisiinsa nähden.
Tällöin on tapahtunut pysyvä siirrosliukuma, jonka pienin yksikkö on siis yksi atomietäisyys tiiviisti pakatussa suunnassa. Kun liukutason suuntainen jännityskomponentti (leikkausjännitys) yrittää siirtää liukutasoja toisiinsa nähden; joutuvat atomitasot etääntymään toisistaan, mikä on helposti ymmärrettävissä. Voima joutuu tällöin tekemään työtä liukutasojen välistä vetovoimaa vastaan ja tämä tuntuu liukuvastuksena. Kimmoisan liukuman alueella on Hooken laki voimassa pienillä (= 10 %) liukuman arvoilla. Tällöin on siis liukuma suoraan verrannollinen leikkausjännitykseen. Leikkausmoduuli µ ilmoittaa tällöin leikkausjännityksen ja sen aiheuttaman liukuman suhteen. Yksittäisissä kiteissä vaihtelee eri tasojen ja liukusuuntien suunnassa mitattu leikkausmoduulimelkoisesti. Monikiteisellä metallilla saatu kimmomoduuli riippuu täten eri kidetasojen leikkausmoduulien tilastollisesta keskiarvosta. Täten on ymmärrettävissä, että rakenteessa, jossa kiteet ovat tietyllä tavalla suuntautuneet (tekstuuri) saadaan normaalista poikkeavia kimmomoduulin arvoja. Leikkausmoduuli kuvaa siis virheettömän kiteen teoreettista lujuutta. Tällöin ajatellaan, että siirrosliukuminen tapahtuisi siten, että kaikki liukutason atomit siirtyisivät yhtä aikaa tasapainoasemasta toiseen. Yksinkertaisilla tarkasteluilla voidaan osoittaa, että pysyvän siirrosliukuman syntymiseen tarvittava kriitillinen jännitys eli kiten leikkauslujuus olis tällöin
tm = µ/30, jossa
µ= leikkausmoduuli
Tätä teoreettista lujuutta vastaisi tällöin kimmoinen siirrosliukuma = 0,1 atomiväli, joka merkitsee siis 10 %:n kimmoista venymää. Puhtailla metallikiteillä tehdyillä vetokokeilla on kriitilliseksi leikkauslujuudeksi saatu arvoja, jotka ovat suuruusluokaltaan vain 1/1000 teoreettisesta arvosta. Samoin on kimmoisan venymän arvoksi saatu 0,001 %. Tulokset osoittavat, että siirrosliukuminen ei voi tapahtua oletetun mekanismin mukaan siten, että kaikki liukutason atomit siirtyisivät samassa tahdissa. Tämän ristiriidan ratkaisemiseksi päädyttii 1930-luvulla usealla taholla yhtä aikaa dislokaatioteorian kehittämiseen. Tällä teorialla on ollut ratkaiseva merkitys metallien ominaisuuksien ymmärtämiselle ja metalliopin viimeaikaiselle voimakkaalle kehitykaelle.
4.1.3 Todellisen kiteen muodonmuutos
4.1.3.1 Muodonmuutosmekanismi
Dislokaatioteorian perusidea sisältyy juuri siihen toteamukseen, että liukutasot eivät voi siirtyä kokonaisina toisiinsa nähden. Jäljelle jää vain toinen mahdollisuus: niiden täytyy siirtyä pienempinä osina. Täät tilannetta esittää kuva 48. Siinä on kuvattu kaksi tiiviisti pakattua tasoa ylhäältäpäin katsottuna siten, että yläkuvassa liukutasot ovat paperin tason suuntaiset. Tasojen välillä vaikuttaa leikkausjännitys, joka pyrkii siirtämään liukutason yläpuolella olevaa kiteen osaa oikealle päin alapuolella olevaan osaan nähden. Kuvaan on merkitty varjostamalla alue, jossa siirrosliukuminen on jo tapahtunut. Sitä rajaviivaa, joka erottaa tämän alueen siitä osasta liukutasoa, jossa siirrosliukumista ei vielä ole tapahtunut, sanotaan dislokaatioksi. Dislokaatio merkitsee siis liukutasossa olevaa kapeaa epäjärjestysaluetta, joka siirtyy jännityksen vaikutuksesta liukutasolla ja aiheuttaa ohittamassaan kohdassa yhden tai useamman atomivälin suuruisen siirrosliukuvan yleensä johonkin tiiviisti pakattuun suuntaan. Jos dislokaation aiheuttama siirrosliukuma tapahtuu tarkalleen dislokaation liikesuuntaan, sanotaan dislokaatiota tällöin särmädislokaatioksi. Jos taas siirrosliukuminen tapahtuu kohtisuoraan dislokaation liikesuuntaa vastaan, sanotaan dislokaatiota ruuvidislokaatioksi.
Kuvan 48 mukaisessa tapauksessa leviää dislokaatiorengas tasaisella nopeudella joka suuntaan. Tiivispakkauksinen suunta. on sama kuin jännityksen suunta, jolloin liukuminen tapahtuu vasemmalta oikealle. Tällöin on dislokaatiorengas kohdissa S puhdas särmädislokaatio ja kohdissa R puhdas ruuvidislokaatio. Alemmassa kuvassa on kide ajateltu leikatuksi pitkin viivaa S-S ja käännetyksi 90° siten, että liukutaso L-L on kohtisuorassa paperin tasoa vastaan. Tällöin voidaan kohdissa S olevat särmädislokaatiot kuvata sivulta päin nähtynä.
Kuva48 Dislokaatio kaavamaisesti esitettynä
Puhtaan ruuvidislokaation havainnollistaminen ei ole yhtä helppoa. Ruuvidislokaation liikkuessa muodostavat liukutasoa vastaan kohtisuorat kidetasot dislokaation kohdalla jatkuvan ruuvipinnan, jota pitkin voisi kuvitella kierrettävän dislokaatiota kuin kierreportaita pitkin. Jos avoin ruuvidislokaatio päättyy kiteen pintaan, muodostuu tähän särmä, johon esim. sulatteen jähmettyessä atomit voivat kiinnittyä helpommin kuin sileään kiteen pintaan. Ruuvidislokaatiolla on näin ollen suuri merkityskiteiden kasvumekanismissa.
Siirryttäessä pitkin dislokaatioviivaa S:tä R:ään muuttuu dislokaatio vähitellen puhtaasta särmädislokaatiosta puhtaaksi ruuvidislokaatioksi. S:n ja R:n välil.lä on dislokaatio luonteeltaan yhdistetty dislokaatio, jolla on sekä särmä että ruuvikomponentti. Yhdistetyn dislokaation vaikutus on aina sama kuin saman dislokaation puhtaan särmä- tai ruuvimuodon vaikutus. Dislokaation liikkuessaan aiheuttamaa siirrosliukumaa sanotaan dislokaation Burgers-vektoriksi ja se on yleensä yhden tiivispakkauksisessa.suunnassa mitatun atomivälin suuruinen. Koska dislokaatio määriteltiin kahden alueen rajaviivana, täytyy sen olla aina suljettu rengas, silloin kun liukunut alue ei ulotu kiteen pintaan. Dislokaatio ei voi siis päättyä kiteen sisälle. Monirakeisessa metallissa päättyvät dislokaatiot yleensä raerajoille, toisiin dislokaatioihin tai muodostavat suljettuja renkaita liukutasoille.
Edellä on esitetty mekanismi, jolla muodonmuutos metallikiteessä voi tapahtua ilman, että siirrosliukuman täytyy tapahtua koko liukutasossa yhtä aikaa. Liukuminen tapahtuu kapean epäjärjestysalueen, dislokaation, liikkuessa yli liukutason. Jäljellä on kaksi probleemaa: mistä tulevat ne lukemattomat dislokaatiot, joita tarvitaan edes mikroskoopissa havaittavan muodonmuutoksen aikaansaamiseen ja kuinka voidaan selittää todellisten kiteiden havaittu lujuus, joka on taas suurempi kuin dislokaation liikkumiseen tarvittava teoreettinen jännitys.
4.1.3.2 Dislokaatioiden muodostuminen
Kiteen jähmettyessä sulatteesta ei hilarakenne voi muodostua virheettömäksi vieraiden seosatomien, sulkeumien ym. häiriötekijöiden johdosta. Häiriötekijöistä aiheutuvien sisäisten jännitysten pienentämiseksi jää osa hilapisteistä täyttymttä, samoin jäävät jotkin atomitasot vajaiksi. Edellisessä tapauksessa on muodostunut tyhjä paikka eli vakanssi ja jälkimmäisessä tapauksessa särmädislokaatio. Näiden termodynaamisista tasapainoehdoista aiheutuvien dislokaatioiden määrän on todettu vaihtelevan todellisissa kiteissä 106--108 kpl/cm2 rajoissa, jolloin dislokaatioiden keskimääräiseksi etäisyydeksi tulee n. 10^(-4)cm (=1µm). Jos kiteen läpimitta on tätä pienempi pitäisi sen dislokaatiotiheyden tulla niin pieneksi, että olisi mahdollista löytää dislokaatioista täysin vapaita kiteitä. Tällöin pitäisi kiteellä saatavan lujuuden lähennellä aikaisemmin mainittua teoreettista lujuutta. Hyvin ohuilla erilliskiteillä onkin saavutettu lähes teoreettinen lujuus ja n. 6 %:n kimmoinen venymä.
Dislokaatiot pyrkivät kiteessä järjestymään tiettyihin symmetrisiin rakennelmiin pienentääkseen siten niihin sitoutunutta kimmoenergiaa. Ne saattavat muodostaa toisiaan leikkaaville liukutasoille kolmiulotteisia verkkoja tai kaksiulotteisia dislokaatiovalleja. Viimeksimainitusta esimerkkinä on aikaisemmin mainittu pienenkulman raja, joka muodostuu, kun kaksi kidettä liittyy toisiinsa siten, että niiden hilatasojen välinen kulma on pienempi kuin n. 15° (kuva 49).
Kuva49 Pienen kulman raja
h= Burgers vektori
Kuva50 Frank Readin dislokaatiolähde
kaavamaisesti esitettynä
Silloin, kun dislokaatioviiva on puoliympyrän muotoinen, on kaarevuussäde pienin mahdollinen. Tästä seuraa myös, että mitä lyhyempi alkuperäinen dislokaatio on, sitä suurempi jännitys tarvitaan.dislokaatiolähteen toimintaan saattamiseen.Ylitettyään tämän kriitillisen vaiheen, jatkaa dislokaatio leviämistään kuvaan 50 katkoviivalla merkityllä tavalla. Siinä kohdassa, missä kaaret koskettavat toisiaan alkuperäisen dislokaation takana, ovat niiden kuvaamat dislokaatiot aina samanlaiset, mutta vastakkaismerkkiset. Yhtyessään ne kumoavat tällöin aina toisensa kosketuskohdassa. Lopputuloksena prosessista on että renkaan umpeutuessa on sen sisään jääneessä alueessa tapahtunut siirrosliukuma, ja lähtökohdassa on uusi dislokaatio jo vauhdissa alottamaan uuden kierroksen.. Koko tämä prosessi tapahtuu n. 10 4 sekunnissa, joten on ymmärrettävää, että täten voi syntyä suuria siirrosliukumia lyhyessä ajassa.
4.1.3.3 Todellisen kiteen lujuus
Koska siirrosliukuminen tagahtuu dislokaatioiden syntymistä ja liikkumista edellyttävällä mekanismilla, merkitsee kiteen lujuus sitä jännitystä, jonka liukutasossa on vaikutettava, jotta nämä prosessit lähtisivät käyntiin. Kiteen lujuus eli dislokaatioiden muodostumista ja liikkumista vastustavat voimat koostuvat useista eri tekijöistä, joista tärkeitnmät ovat: Frank-Readin dislokaatiolähteen kriitillinen jännitys, liukutasolla olevat esteet, dislokaation jännityskenttään keräytyvät atomit eli ns. Conttrell'in pilvet ja raerajat ym. epäjatkuvuuskohdat.
Frank-Readin dislokaatiolähteen kriitillistä jännitystä käsiteltiin edellä. Tällöin todettiin, että kriitillinen jännitys on sitä suurempi, mitä lyhyempi on lähteenä toimiva dislokaatio. Kriitillinen jännitys riippuu lisäksi liukutason l.eikkausmoduulista ja yhden dislokaation aiheuttaman siirrosliukuman suuruudesta.
Liukutasolla olevat esteet:
Liukutasolla olevat esteet voivat olla korvaussija-atomeja, epäkoherentteja sulkeumia tai koherentteja erkaumia. Suuriatomiset seosaineet aiheuttavat metallihilaan liuetessaan lujittumista, mikä perustuu seosaineiden ja dislokaatioiden väliseen vuorovaikutusenergiaan. Liuottavan ja liuenneen metallin atomikoot eroavat yleensä aina toisistaan, mistä on seurauksena kimmoisten jännitysten muodostuminen seosaineatomien ympäristöön. Seosaineatomia ympäröivällä jännityskentällä ja dislokaation jännityskentällä on vuorovaikukutus toisiinsa nähden. Jos seosaineatomit olisivat tilastollisesti jakautu neet ei tällöin syntyisi mitään dislokaation liikettä estävää voimaa. Oletetaan kuitenkin, että seosatomin ja dislokaation jännityskenttien vuorovaikutuksesta tapahtuu jonkunlaista järjestäytymistä, jonka seurauksena kimmoenergian.kokonaismäärä pienenee. Dislokaation liikkeellelähtö tästä matalan kimmoenergian omaavasta asemasta vaatii energiaa, samoin aiheutuu siitä dislokaation liikettä jarruttava voima. Nämä molemmat ilmenevät kiteen lujuuden kasvuna.
Liuenneiden seosatomien lujittamismekanismeista mainittakoon vielä dislokaation ja seosatomien väliset sähköstaattiset voimat sekä seosaineiden vaikutus ns. pinousvian pintaenergiaan. Jos kuvitellaan liukutasolla olevat esteet kukkuloiksi, joiden yli dislokaatioiden on kiivettävä päästäkseen eteeenpäin, muodostavat liuenneet seosatomit niin tiheän kukkulamuodostelman, että kukkuloiden väliset laaksot jäävät mataliksi ja dislokaatioiden liikettä vastustava vaikutus jää melko vähäiseksi.
Toisen ryhmän liukutasolla olevia esteitä muodostava epäkoherentit sulkeumat. Ne ovat yleensä suuria ja sijaitsevat harvassa. Dislokaatio ei pysty kiipeämään niiden yli, mutta se pystyy ohittamaan ne verraten pienen leikkausjännityksen vaikutuksesta. Mekanismi, jolla tämä tapahtuu, on analoginen Frank-Readin dislokaatiolähteen toiminnan kanssa. Dislokaatio pullistuu kahden vierekkäisen sulkeuman välistä ja koska sulkeumien välit ovat suuret, tarvitaan verraten pieni leikkausjännitys, jotta kriitillinen kaarevuussäde ( = 1/2x sulkeumien välinen etäisyys) saavutettaisiin. Tämän jälkeen kasvaa dislokaatiolenkki pienenevän leikkausjännityksen vallitessa. Kun vierekkäisistä väleistä kasvaneet kaaret yhtyvät sulkeuman edessä, hävittävät ne aina esimerkkisinä ruuvidislokaatioina toisensa kosketuskohdassa. Lopputuloksena on, että sulkeuman. ympärille jää dislokaatiolenkki ja alkuperäinen dislokaatio pääsee jatkamaan matkaansa (kuva 51). neet ei tällöin syntyisi mitään dislokaation liikettä estävää voimaa. Oletetaan kuitenkin, että seosatomin ja dislokaation jännityskenttien vuorovaikutuksesta tapahtuu jonkunlaista järjestäytymistä, jonka seurauksena kimmoenergian kokonaismäärä pienenee. Dislokaation liikkeellelähtö tästä matalan kimmoenergian omaavasta asemasta vaatii energiaa, samoin aiheutuu siitä dislokaation liikettä jarruttava voima. Nämä molemmat ilmenevät kiteen lujuuden kasvuna.
Liuenneiden seosatomien lujittamismekanismeista mainittakoon vielä dislokaation ja seosatomien väliset sähköstaattiset voimat sekä seosaineiden vaikutus ns. pinousvian pintaenergiaan. Jos kuvitellaan liukutasolla olevat esteet kukkuloiksi, joiden yli dislokaatioiden on kiivettävä päästäkseen eteeenpäin, muodostavat liuenneet seosatomit niin tiheän kukkulamuodostelman, että kukkuloiden väliset laaksot jäävät mataliksi ja dislokaatioiden liikettä vastustava vaikutus jää melko vähäiseksi.
Toisen ryhmän liukutasolla olevia esteitä muodostava epäkoherentit sulkeumat. Ne ovat yleensä suuria ja sijaitsevat harvassa. Dislokaatio ei pysty kiipeämään niiden yli, mutta se pystyy ohittamaan ne verraten pienen leikkausjännityksen vaikutuksesta. Mekanismi, jolla tämä tapahtuu, on analoginen Frank-Readin dislokaatiolähteen toiminnan kanssa. Dislokaatio pullistuu kahden vierekkäisen sulkeuman välistä ja koska sulkeumien välit ovat suuret, tarvitaan verraten pieni leikkausjännitys, jotta kriitillinen kaarevuussäde ( = 1/2 sulkeumien väliseträ etäisyydestä) saavutettaisiin. Tämän jälkeen kasvaa dislokaatiolenkki pienenevän leikkausjännityksen vallitessa. Kun vierekkäisistä väleistä kasvaneet kaaret yhtyvät sulkeuman edessä, hävittävät ne aina esimerkkisinä ruuvidislokaatioina toisensa kosketuskohdassa. Lopputuloksena on, että sulkeuman. ympärille jää dislokaatiolenkki ja alkuperäinen dislokaatio pääsee jatkamaan matkaansa (kuva 51).
Kuva51 Dislokaatio ohittaa liukutasolla
olevan esterivin
Tehokkaimman ryhmän liukutasolla olevia esteitä muodostavat koherentit erkaumat, jotka ovat kooltaan ja jakautumatiheydeltään yksityisten seosatomien ja epäkoherenttien sulkeumien välilltä. Koherentteihin erkaumiin liittyy voimakas kimmoinen jännityskenttä, mikä tekee ne dislokaatioille vaikeasti ylitettäviksi. Niiden kiertämiseen edellä kuvatulla mekanismilla vaaditaan taas suuri leikkausjännitys erkaumien tiheän jakautuman vuoksi. Näin ollen omaava korehentit erkaumat tehokkaimman metallia lujittavan vaikutuksen. Teräksillä voidaan esimerkkinä koherenteista erkaumista mainita epsilonkarbidi karkaistussa ja matalassa lämpötilassa päästetyssä mikrorakenteessa, runsasseosteisissa teräksissä korkeissa päästölämpötiloissa muodostuvat erikoiskarbidit (sekundäärinen karkeneminen) sekä mikroseostetuissa teräksissä esiintyvät karbidit ja nitridit.
Cottrellin pilvet
Kun edellä käsiteltiin dislokaatioiden ja seosatomien välistä vuorovaikutusta, olivat kyseessä korvaussija-asemassa olevat seosaineet, joiden liikkuvuus dislokaatioiden jännityskentän vaikutuksesta on niiden vähäisen diffuusionopeuden vuoksi varsin rajoitettu. Pienten välisija-atomien suhteen on tilanne kuitenkin toinen. Ne omaavat suuren diffuusionopeuden alhaisissakin lämpötiloissa ja pystyvät siten keräytymään laajoilta alueilta dislokaation ympäristöön.
Välisija-atomit laajentavat metallin hilaa. Siten ne pienentävät dislokaation aiheuttamaa kimmoista jännitystä ja tähän jännityskenttään sitoutunutta kimmoenergiaa keräytyessään särmädislokaatioon sen harvalle puolelle (ylimääräisen atomitason kohdalle liukutason toiselle puolelle), jossa vallitsee vetojännitys. Kanta-atomeja pienemmillä korvausija-atomeilla on taipumus keräytyä särmädislokaation tiiviille puolelle.
Välisija-atomien suuren diffuusionopeuden vuoksi ne kertyvät nopeasti dislokaation ympäristöön lähes kyllästysarvoa vastaavaan määrään saakka. Dislokaation liikkeellelähtö tällaisesta alhaista kimmoenergiaa edustavasta asemasta vaatii energiaa, mikä tuntuu kiteen lujuuden kasvuna. Kerran irtauduttuaan pilvestä, jatkaa dislokaatio matkaansa pienemmällä jännityksellä. Täten on selitettävissä terävän myötörajan esiintyminen mm. tilakeskisen kuutiohilan omaavassa raudassa, jossa Cottrellin pilvien muodostajina toimivat lähinnä typpi ja hiili. Eräiden havaintojen mukaan saattavat dislokaatioihin erkautuvat karbidit olla myös syynä myötörajan esiintymiseen. Typen on todettu olevan hiiltä tehokkaamman sitomaan dislokaatiota pilveen, vaikka sen atomikoko on pienempi kuin hiilen. Tämä viittaa muihinkin kuin kimmojännityksiin perustuvaan vuorovaikutukseen typpiatomien ja dislokaatioiden välillä. tioita ja siten lisäämään lujuutta huomattavasti tehokkaammin kuin pintakeskisen kuutiohilan omaavassa austeniitissa, joissa näitä mikrojännityksiä ei esiinny.
Raerajat
Käytännöss esiintyvät metallit aina monirakeisina kappaleina, (Kuva 43) millä on suuri vaikutus metallin mekaanisiin ominaisuuksiin. Monirakeisessa metallissa muodostavat raerajat tehokkaan esteen dislokaatioiden liikkeelle. Voidakseen jatkaa liikettään on dislokaation siirryttävä raerajalla olevan epäjärjestysalueen (Kuva 52) lävitse naapurikiteen liukutasolle.
Kuva52 Kaavamainen esitys raerajan rakenteesta
4.2 Muokkauslujittuminen