Аномалия предела текучести
В материаловедении аномалия предела текучести относится к материалам, у которых предел текучести (т. е. напряжение, необходимое для начала пластической текучести) увеличивается с температурой. [1] [2] [3] Для большинства материалов предел текучести снижается с повышением температуры. В металлах такое снижение предела текучести происходит из-за термической активации движения дислокаций , что приводит к более легкой пластической деформации при более высоких температурах. [4]
В ряде случаев под аномалией предела текучести понимают снижение пластичности материала с повышением температуры, что также противоположно тенденции для большинства материалов. Аномалии пластичности могут быть более явными, поскольку аномальное влияние на предел текучести может быть замаскировано его типичным снижением с температурой. [5] Наряду с аномалиями предела текучести или пластичности некоторые материалы демонстрируют экстремумы в других температурно-зависимых свойствах, таких как минимум затухания ультразвука или максимум электропроводности . [6]
Аномалия предела текучести β-латуни была одним из первых открытий такого явления. [7] и несколько других упорядоченных интерметаллических сплавов демонстрируют этот эффект. Дисперсионно-твердеющие суперсплавы демонстрируют аномалии предела текучести в значительном диапазоне температур. Для этих материалов предел текучести практически не меняется в диапазоне от комнатной температуры до нескольких сотен градусов Цельсия. В конечном итоге достигается максимальный предел текучести. При еще более высоких температурах предел текучести снижается и, в конечном итоге, падает до нуля при достижении температуры плавления , при которой твердый материал превращается в жидкость . Для упорядоченных интерметаллидов температура пика предела текучести составляет примерно 50% от абсолютной температуры плавления . [8]
Механизмы
[ редактировать ]Термически активируемое поперечное скольжение
[ редактировать ]Ряд сплавов со L1 2 структурой ( например, Ni 3 Al, Ni 3 Ga, Ni 3 Ge, Ni 3 Si) демонстрируют аномалии предела текучести. [9] Структура L1 2 является производной гранецентрированной кубической кристаллической структуры. Для этих сплавов активная система скольжения ниже пика составляет ⟨110⟩{111}, тогда как активная система при более высоких температурах составляет ⟨110⟩{010}. Механизмом упрочнения в этих сплавах является поперечное скольжение винтовых дислокаций (111) в (010) из кристаллографических плоскостей . [10] Это поперечное скольжение термически активируется, и винтовые дислокации гораздо менее подвижны в плоскостях (010), поэтому материал упрочняется по мере повышения температуры и больше винтовых дислокаций оказывается в плоскости (010). Подобный механизм был предложен для некоторых сплавов B2 , имеющих аномалии предела текучести ( например, CuZn, FeCo, NiTi, CoHf, CoTi, CoZr). [8]
Механизм аномалии предела текучести в суперсплавах на основе Ni аналогичен. [11] В этих сплавах винтовые супердислокации подвергаются термоактивированному поперечному скольжению на плоскости {100} из плоскостей {111}. Это предотвращает движение остальных частей дислокаций по системе скольжения (111)[-101]. Опять же, с повышением температуры происходит большее поперечное скольжение, поэтому движение дислокаций становится более затрудненным, а предел текучести увеличивается.
Зернограничное осаждение
[ редактировать ]В суперсплавах, упрочненных карбидами металлов , все более крупные частицы карбидов образуются преимущественно на границах зерен, предотвращая скольжение по границам зерен при высоких температурах. Это приводит к увеличению предела текучести и, следовательно, к аномалии предела текучести. [5]
Вакансия Активируется Укрепление
[ редактировать ]Хотя FeAl является сплавом B2 , наблюдаемая аномалия предела текучести в FeAl обусловлена другим механизмом. Если бы механизмом было поперечное скольжение, то аномалия предела текучести зависела бы от скорости, как и ожидалось для термически активированного процесса. Вместо этого аномалия предела текучести зависит от состояния, что является свойством, зависящим от состояния материала. В результате упрочнение, активируемое вакансиями, является наиболее широко распространенным механизмом. [12] Энергия образования вакансий для FeAl мала, что позволяет обеспечить необычно высокую концентрацию вакансий в FeAl при высоких температурах (2,5% при 1000C для Fe-50Al). Вакансия , образовавшаяся либо в богатом алюминием FeAl, либо в результате нагрева, представляет собой алюминиевую вакансию. [13]
При низких температурах около 300К предел текучести либо снижается, либо не меняется с температурой. При умеренных температурах (0,35-0,45 Тм ) наблюдалось увеличение предела текучести с увеличением концентрации вакансий, что является дополнительным доказательством механизма упрочнения, обусловленного вакансиями. [13] [8] Считается, что увеличение предела текучести из-за увеличения концентрации вакансий является результатом закрепления дислокаций вакансиями на плоскости скольжения, что приводит к их изгибу. Затем, выше пиковой температуры напряжения, вакансии могут мигрировать, поскольку миграция вакансий облегчается при повышенных температурах. При таких температурах вакансии больше не препятствуют движению дислокаций, а скорее способствуют их подъему . В модели вакансионного усиления повышенная прочность ниже пиковой температуры напряжения аппроксимируется как пропорциональная концентрации вакансий до половины, при этом концентрация вакансий оценивается с использованием статистики Максвелла-Больцмана . Таким образом, силу можно оценить как , с — энергия образования вакансии, а T — абсолютная температура. Выше пиковой температуры напряжения для описания прочности можно использовать механизм деформации, вызванный диффузией, поскольку вакансии теперь подвижны и способствуют движению дислокаций. Выше пика предел текучести зависит от скорости деформации и, таким образом, максимальный предел текучести зависит от скорости. В результате пиковая температура напряжения увеличивается с увеличением скорости деформации. Обратите внимание, что это отличается от аномалии предела текучести, которая представляет собой предел текучести ниже пика и зависит от скорости. Пиковый предел текучести также зависит от процентного содержания алюминия в сплаве FeAl. По мере увеличения процентного содержания алюминия пик предела текучести достигается при более низких температурах. [8]
Аномалия предела текучести в сплавах FeAl может быть скрыта, если термические вакансии не минимизироваться за счет медленного отжига при относительно низкой температуре (~ 400 °C в течение ~ 5 дней). [14] Кроме того, аномалия предела текучести отсутствует в системах, в которых используется очень низкая скорость деформации, поскольку пиковый предел текучести зависит от скорости деформации и, таким образом, может возникать при температурах, слишком низких для наблюдения аномалии предела текучести. Кроме того, поскольку образование вакансий требует времени, максимальная величина предела текучести зависит от того, как долго материал выдерживается при максимальной температуре напряжения. Кроме того, было обнаружено, что пиковый предел текучести не зависит от ориентации кристаллов. [8]
Были предложены и другие механизмы, включая механизм поперечного скольжения , аналогичный механизму L1 2 , разложение дислокации на менее подвижные сегменты при скачках, фиксацию дислокации, механизм подъема-блокировки и переход вектора скольжения. Переход вектора скольжения с <111> на <100>. При пиковой температуре напряжения система скольжения изменяется от <111> до <100>. Считается, что это изменение является результатом того, что скольжение в <111> становится более трудным по мере повышения температуры из-за механизма трения. Тогда дислокации в <100> движутся легче по сравнению с ними. [15] Другой механизм сочетает механизм вакансионного усиления с дислокационным распадом. Было показано, что FeAl с добавлением третичной добавки, такой как Mn, также демонстрирует аномалию предела текучести. Однако, в отличие от FeAl, пиковый предел текучести или пиковая температура напряжения Fe 2 MnAl не зависят от скорости деформации и, таким образом, могут не соответствовать механизму упрочнения, активируемому вакансиями. Вместо этого там предложен механизм укрепления порядка. [8]
Приложения
[ редактировать ]Турбины и реактивные двигатели
[ редактировать ]Аномалия предела текучести используется при проектировании газовых турбин и реактивных двигателей , работающих при высоких температурах, где используемые материалы выбираются с учетом их первостепенного предела текучести и сопротивления ползучести . Суперсплавы выдерживают высокотемпературные нагрузки, значительно превосходящие возможности сталей и других сплавов, и позволяют работать при более высоких температурах, что повышает эффективность . [16]
Ядерные реакторы
[ редактировать ]Материалы с аномалиями предела текучести используются в ядерных реакторах благодаря их высокотемпературным механическим свойствам и хорошей коррозионной стойкости. [5]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Лю, Дж.Б.; Джонсон, Д.Д.; Смирнов А.В. (24 мая 2005 г.), «Прогнозирование аномалий предела текучести в L1 2 сплавах Ni 3 Ge–Fe 3 : псевдобинарные системы Ge», Acta Materialia , 53 (13): 3601–3612, Bibcode : 2005AcMat..53.3601 Л , дои : 10.1016/j.actamat.2005.04.011
- ^ Вуа, Д.; Бейкер, И.; Манро, PR; Джордж, Е.П. (февраль 2007 г.), «Аномалия предела текучести монокристаллов Fe – Al с односкользящей ориентацией», Intermetallics , 15 (2): 103–107, doi : 10.1016/j.intermet.2006.03.007
- ^ Горностырев, Ю. Н.; А.Ф. Максютов; О. Ю. Концевой; Эй Джей Фриман; М.И. Кацнельсон; А. В. Трефилов (3 марта 2003 г.), «Отрицательная температурная аномалия предела текучести и структурная стабильность Pt 3 Al», Мартовское собрание Американского физического общества, 2003 г. , том. 2003, Американское физическое общество, стр. D17.009, Бибкод : 2003APS..MARD17009G.
- ^ Смоллман, RE (4 сентября 2013 г.). Современная физическая металлургия . Нган, AHW (Восьмое изд.). Оксфорд. ISBN 978-0-08-098223-6 . OCLC 858948359 .
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ) - ^ Jump up to: а б с Хан, ФФ; Чжоу, Б.М.; Хуанг, ХФ; Ленг, Б.; Лу, ЮЛ; Донг, Дж.С.; Ли, З.Дж.; Чжоу, XT (01 октября 2016 г.). «Растяжимость суперсплава GH3535 при повышенной температуре» . Химия и физика материалов . 182 : 22–31. doi : 10.1016/j.matchemphys.2016.07.001 . ISSN 0254-0584 .
- ^ Чу, Чжаокуан; Ю, Цзиньцзян; Сунь, Сяофэн; Гуань, Хэнжун; Ху, Чжуанци (15 мая 2010 г.). «Свойство растяжения и деформационное поведение направленно затвердевшего суперсплава на основе Ni» . Материаловедение и инженерия: А. 527 (12): 3010–3014. дои : 10.1016/j.msea.2010.01.051 . ISSN 0921-5093 .
- ^ Ардли, GW; Коттрелл, Алан Ховард; Мотт, Невилл Фрэнсис (22 сентября 1953 г.). «Предел текучести латунных кристаллов». Труды Лондонского королевского общества. Серия А. Математические и физические науки . 219 (1138): 328–340. Бибкод : 1953RSPSA.219..328A . дои : 10.1098/rspa.1953.0150 . S2CID 137118204 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж Джордж, EP; Бейкер, И. (1998). «Модель аномалии предела текучести Fe-Al» . Философский журнал А. 77 (3): 737–750. Бибкод : 1998PMagA..77..737G . дои : 10.1080/01418619808224080 .
- ^ Пайдар, В; Поуп, Д.П.; Витек, В (1 марта 1984 г.). «Теория аномального поведения текучести в упорядоченных сплавах L12». Акта Металлургика . 32 (3): 435–448. дои : 10.1016/0001-6160(84)90117-2 . ISSN 0001-6160 .
- ^ Торнтон, штат Пенсильвания; Дэвис, Р.Г.; Джонстон, ТЛ (1 января 1970 г.). «Температурная зависимость напряжения течения γ'-фазы на основе Ni3Al». Металлургические операции . 1 (1): 207–218. дои : 10.1007/BF02819263 . ISSN 1543-1916 . S2CID 137348369 .
- ^ Гэн, Пэйцзи; Чжан, Сяньхэ; Коу, Хайбо; Цзяньцзо; Чэнь, Ву, Сяочжи (05.06.2017) . аномалия суперсплавов на основе Ni при повышенной температуре» . Журнал сплавов и соединений . 706 : 340–343. doi : 10.1016/j.jallcom.2017.02.262 . ISSN 0925-8388 .
- ^ Моррис, генеральный директор; Муньос-Моррис, Массачусетс (1 июля 2010 г.). «Повторное исследование механизмов закрепления, ответственных за аномалии напряжений в интерметаллидах FeAl». FEAL 2009 – 5-я дискуссионная встреча по разработке инновационных железоалюминиевых сплавов . 18 (7): 1279–1284. дои : 10.1016/j.intermet.2009.12.021 . ISSN 0966-9795 .
- ^ Jump up to: а б Джордан, JL; Деви, Южная Каролина (1 июня 2003 г.). «Образование и эффекты вакансий в FeAl». Интерметаллики . 11 (6): 507–528. дои : 10.1016/S0966-9795(03)00027-X . ISSN 0966-9795 .
- ^ Карлтон, Р.; Джордж, EP; Зи, Р.Х. (1 января 1995 г.). «Влияние отклонений от стехиометрии на аномалию прочности и поведение разрушения FeAl, легированного B». Интерметаллики . 3 (6): 433–441. дои : 10.1016/0966-9795(94)00041-I . ISSN 0966-9795 .
- ^ Премкумар, М.; Сингх, АК (1 июля 2011 г.). «Аномалия прочности фазы В2 в сплаве Ti–25Al–25Zr». Интерметаллики . 19 (7): 1085–1088. дои : 10.1016/j.intermet.2011.03.010 . ISSN 0966-9795 .
- ^ Шэн, Ли-юань; Ян, Фанг; Го, Цзянь-тин; Си, Тин-фэй (01 марта 2014 г.). «Аномальная текучесть и хрупкость при промежуточной температуре направленно затвердевшего суперсплава на основе никеля» . Сделки Общества цветных металлов Китая . 24 (3): 673–681. дои : 10.1016/S1003-6326(14)63110-1 . ISSN 1003-6326 .