Энергия дефекта упаковки
Энергия дефекта упаковки (SFE) — это свойство материала в очень маленьком масштабе. Обозначается как γ SFE в единицах энергии на площадь.
Дефект упаковки — это нарушение нормальной последовательности упаковки атомных плоскостей в плотноупакованной кристаллической структуре . Эти прерывания несут в себе определенную энергию дефекта упаковки. Ширина дефекта упаковки является следствием баланса между силой отталкивания между двумя частичными дислокациями , с одной стороны, и силой притяжения, обусловленной поверхностным натяжением дефекта упаковки, с другой стороны. Таким образом, равновесная ширина частично определяется энергией дефекта упаковки. При высоком ЭДУ диссоциация полной дислокации на две частичные энергетически невыгодна, и материал может деформироваться либо за счет скольжения дислокации, либо за счет поперечного скольжения. Материалы с более низким SFE демонстрируют более широкие дефекты упаковки и имеют больше проблем с поперечным скольжением. SFE изменяет способность дислокации в кристалле скользить по пересекающейся плоскости скольжения . [ 1 ]
| Материал | Латунь | Нержавеющая сталь | Ag ( Серебро ) | В | Да ( силикон ) | Автор ( никель ) | С ( медью ) | Mg ( Магний ) | Ал ( Алюминий ) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| SFE ( мДж м −2 ) | <10 [ 2 ] | <10 [ 2 ] | 25 [ 2 ] | 75 [ 2 ] | >42 | 90 [ 2 ] [ 3 ] | 70 [ 4 ] -78 [ 5 ] | 125 [ 6 ] | 160-250 [ 7 ] [ 2 ] |
Дефекты упаковки и энергия дефектов упаковки
[ редактировать ]Дефект упаковки — это нарушение плоской последовательности упаковки атомов в кристалле. В металлах с ГЦК нормальной последовательностью упаковки является ABCABC и т. д., но если появляется дефект упаковки, он может внести нерегулярность, такую как ABBCCABC, в нормальную последовательность упаковки. Эти неоднородности несут определенную энергию, называемую энергией дефекта упаковки.
Влияние на энергию дефекта упаковки
[ редактировать ]
На энергию дефекта упаковки сильно влияют несколько основных факторов, в частности основной металл, легирующие металлы, процент легирующих металлов и соотношение валентных электронов к атомам. [ 10 ]
Влияние легирующих элементов на ЭЭП
[ редактировать ]Давно установлено, что добавка легирующих элементов существенно снижает ЭДУ большинства металлов. [ 4 ] Какой элемент и в каком количестве добавлен существенно влияет на ЭФП материала. На рисунках справа показано, как снижается ЭДУ меди при добавлении двух разных легирующих элементов; цинк и алюминий. В обоих случаях ЭДУ латуни снижается с увеличением содержания сплава. Однако ЭДУ сплава Cu-Al снижается быстрее и достигает более низкого минимума.
соотношение е/а
[ редактировать ]Другим фактором, который оказывает существенное влияние на ЭДУ материала и тесно взаимосвязан с содержанием сплава, является соотношение е/а, или соотношение валентных электронов к атомам. Торнтон [ 10 ] показал это в 1962 году, построив график зависимости e/a от SFE для нескольких сплавов на основе меди. Он обнаружил, что соотношение валентных электронов и атомов является хорошим показателем энергии дефекта упаковки, даже когда легирующий элемент меняется. Это напрямую подтверждает графики справа. Цинк — более тяжелый элемент и имеет только два валентных электрона, тогда как алюминий легче и имеет три валентных электрона. Таким образом, каждый весовой процент алюминия оказывает гораздо большее влияние на ЭФП сплава на основе меди, чем цинк.
Влияние энергии дефекта упаковки на деформацию и текстуру
[ редактировать ]Двумя основными методами деформации металлов являются скольжение и двойникование. Скольжение происходит за счет скольжения винтовых или краевых дислокаций по плоскости скольжения. Скольжение является, безусловно, наиболее распространенным механизмом. Двойное образование встречается реже, но легко возникает при некоторых обстоятельствах.
Двойникование возникает, когда систем скольжения недостаточно для компенсации деформации и/или когда материал имеет очень низкий ЭДУ. Двойники широко распространены во многих металлах с низким ЭЭП, таких как медные сплавы, но редко встречаются в металлах с высоким ЭЭП, таких как алюминий. [ 11 ] [ 8 ] [ 4 ] [ 9 ] [ 5 ]
Чтобы выдерживать большие деформации без разрушения, должно быть как минимум пять независимых и активных систем скольжения. Когда поперечное скольжение происходит часто и соблюдаются некоторые другие критерии, иногда для компенсации больших деформаций необходимы только три независимые системы скольжения. [ 12 ] [ 13 ]
Из-за разных механизмов деформации в материалах с высоким и низким SFE они приобретают разные текстуры.
Материалы с высоким SFE
[ редактировать ]Материалы с высоким ЭДУ деформируются за счет скольжения полных дислокаций. Поскольку дефектов упаковки нет, винтовые дислокации могут перемещаться перекрестно. Смоллман обнаружил, что поперечное скольжение происходит при низком напряжении для материалов с высоким SFE, таких как алюминий (1964). Это придает металлу дополнительную пластичность, поскольку при поперечном скольжении ему нужны только три другие активные системы скольжения, чтобы подвергнуться большим деформациям. [ 12 ] [ 13 ] Это верно, даже если кристалл ориентирован не идеально.
Таким образом, материалам с высоким SFE не требуется менять ориентацию, чтобы выдерживать большие деформации из-за поперечного скольжения. Некоторая переориентация и развитие текстуры будут происходить по мере движения зерен во время деформации. Обширное поперечное скольжение из-за большой деформации также вызывает некоторое вращение зерна. [ 14 ] Однако такая переориентация зерен в материалах с высоким ЭДУ встречается гораздо реже, чем в материалах с низким ЭДУ.
Материалы с низким SFE
[ редактировать ]Материалы с низким ЭДУ двойниковают и создают частичные дислокации. Вместо винтовых дислокаций образуются частички. Существующие винты не могут проскальзывать через дефекты упаковки даже при высоких нагрузках. [ 14 ] Для возникновения больших деформаций из-за отсутствия поперечного скольжения должны быть активны пять или более систем скольжения. Для обоих направлений <111> и <100> имеется шесть и восемь различных систем скольжения соответственно. Если нагрузка не применяется в одном из этих направлений, могут быть активны пять систем скольжения. В этом случае должны быть задействованы и другие механизмы, позволяющие компенсировать большие деформации.
Материалы с низким SFE также сдваиваются при растяжении. Если деформационное двойникование сочетается с регулярной сдвиговой деформацией, зерна в конечном итоге выравниваются в сторону более предпочтительной ориентации. [ 12 ] [ 15 ] Когда множество различных зерен выравниваются, создается сильно анизотропная текстура.
Примечания
[ редактировать ]- ^ А. Келли и К.М. Ноулз, Кристаллография и дефекты кристаллов , John Wiley & Sons, Ltd., Чичестер, 2-е изд., 2012, гл. 9, стр. 269–304.
- ^ Jump up to: а б с д и ж Герцберг, Ричард В.; Винчи, Ричард П.; Герцберг, Джейсон Л. (2013). Механика деформирования и разрушения технических материалов . John Wiley & Sons, Inc. с. 80. ИСБН 978-0-470-52780-1 .
- ^ Люк Реми. Докторская диссертация, Университет Париж-Юг, Орсе, Франция, 1975 год.
- ^ Jump up to: а б с д Венейблс, Дж. А. (1964). Электронная микроскопия деформационного двойникования. Журнал физики и Химия твердого тела, 25, 685–690.
- ^ Jump up to: а б с Чжао, Ю.Х., Ляо, Ю.Ю., Чжу, Ю.Т. (2005). Влияние энергии дефекта упаковки на наноструктуру под высоким давлением кручения. Материаловедение и инженерия А, 410–411, 188–193.
- ^ Н.В. Рави Кумар и др., Измельчение зерна магниевого сплава AZ91 во время термомеханической обработки , Материалы и техника A359 (2003), 150–157.
- ^ Лоуренс Э. Мурр. Межфазные явления в металлах и сплавах. Паб Аддисон-Уэсли. Компания, 1975.
- ^ Jump up to: а б с Рохатги А., Веккьо К., Грей Г. (2001). Влияние энергии дефекта упаковки на механическое поведение меди и сплава Cu-Al: деформационное двойникование, деформационное упрочнение и динамическое восстановление. Металлургические операции и операции с материалами А 32А, 135–145.
- ^ Jump up to: а б Джохари О., Томас Г. (1964). Подложки из взрыводеформированных сплавов Cu и Cu-Al. Acta Metallurgica 12, (10), 1153–1159.
- ^ Jump up to: а б Торнтон, П.Р., Митчелл, Т.Э., Хирш, П.Б. (1962). Зависимость поперечного скольжения от энергии дефекта упаковки в гранецентрированных кубических металлах и сплавах. Философский журнал, 7, (80), 1349–1369.
- ^ Эль-Данаф, Э., (2012). Механические свойства, микроструктура и эволюция микротекстуры 1050AA, деформированного равноканальным угловым прессованием (РУП) и плоскодеформационным сжатием после РКУП с использованием двух схем нагружения. Материалы и дизайн, 34, 793–807.
- ^ Jump up to: а б с Дилламор И., Батлер Э., Грин Д. (1968). Вращение кристаллов в условиях приложенной деформации и влияния двойникования и поперечного скольжения. Журнал металловедения, 2 (1), 161–167.
- ^ Jump up to: а б Гроувс Г., Келли А. (1963). Независимые системы скольжения в кристаллах. Философский журнал, 8 (89), 877–887.
- ^ Jump up to: а б Смоллман Р., Грин Д. (1964). Зависимость текстуры прокатки от энергии дефекта упаковки. Acta Metallurgica, 12 (2), 145–154.
- ^ Хэй, В., Вассерманн, Г. (1966). Механическое двойникование в холоднокатаных кристаллах серебра. Physica Status Solidi, 18 (2), К107–К111.