Дислокационные лавины
Лавины дислокаций — это быстрые дискретные события во время пластической деформации, при которых дефекты коллективно реорганизуются. Такое прерывистое поведение течения наблюдалось в микрокристаллах, тогда как макроскопическая пластичность проявляется как плавный процесс. Прерывистое пластическое течение наблюдалось в нескольких различных системах. В сплавах AlMg взаимодействие между растворенным веществом и дислокациями может вызвать внезапный скачок во время динамического деформационного старения. [ 1 ] В металлическом стекле это можно наблюдать по полосам сдвига с локализацией напряжения; [ 2 ] и монокристаллической пластичности, это проявляется в виде скольжения. [ 3 ] Однако анализ событий с разницей в размерах на порядки и различной кристаллографической структурой обнаруживает степенное масштабирование между количеством событий и их величиной, или безмасштабное течение. [ 4 ]
Эта микроскопическая нестабильность пластичности может иметь серьезные последствия для механического поведения микрокристаллов. Увеличенный относительный размер колебаний затрудняет управление процессом пластического формования. [ 5 ] Более того, при небольших размерах образцов предел текучести больше не определяется критерием пластической деформации 0,2%, поскольку это значение варьируется от образца к образцу. [ 6 ]
Подобные прерывистые эффекты изучались во многих совершенно разных системах, включая прерывистость диссипации энергии в магнетизме ( эффект Баркгаузена ), сверхпроводимости, землетрясениях и трении. [ 7 ]
Фон
[ редактировать ]
Макроскопическая пластичность хорошо описывается континуальной моделью. Движение дислокаций характеризуется средней скоростью
которое известно как уравнение Орована. Однако этот подход совершенно не учитывает такие известные явления прерывистой деформации, как пространственная локализация дислокационного потока в «полосы скольжения». [ 8 ] (также известный как полоса Людерса ) и временные колебания кривых напряжения-деформации ( эффект Портевена-Ле Шателье, впервые описанный в 1920-х годах). [ 9 ] [ 1 ]
Экспериментальный подход
[ редактировать ]Хотя свидетельства прерывистого поведения потока давно известны и изучены, только в последние два десятилетия количественное понимание этого явления было достигнуто с помощью новых экспериментальных методов.
Акустическая эмиссия
[ редактировать ]Акустическая эмиссия (АЭ) используется для регистрации потрескивающего шума от деформирующихся кристаллов. [ 10 ] [ 11 ] Амплитуды акустических сигналов могут быть связаны с площадью, охваченной быстродвижущимися дислокациями, и, следовательно, с энергией, рассеиваемой во время деформаций. Результат показывает, что треск не является гладким и не имеет определенного энергетического масштаба. Влияние зеренной структуры на «сверхкритическое» течение изучалось в поликристаллическом льду. [ 12 ]
Прямое механическое измерение
[ редактировать ]Последние разработки в области мелкомасштабных механических испытаний с разрешением смещения субнанометрового диапазона и разрешением субмикН теперь позволяют напрямую изучать дискретные явления напряжения и деформации. В настоящее время наиболее известным методом является миниатюрный эксперимент по сжатию, в котором используется наноиндентор, оснащенный плоским наконечником. Оснащенный методами in-situ в сочетании с методами просвечивающей электронной микроскопии , сканирующей электронной микроскопии и микродифракции, этот метод наномеханических испытаний может дать нам подробную информацию о нестабильности пластичности наномасштаба в реальном времени.
Одна из потенциальных проблем в области наномеханических измерений: насколько быстро может реагировать система? Может ли наконечник отпечатка оставаться в контакте с образцом и отслеживать деформацию? Поскольку на скорость дислокации сильно влияет напряжение, в разных системах скорость может различаться на несколько порядков. Кроме того, многомасштабный характер лавин дислокаций дает скорости дислокаций широкий диапазон. Например, было показано, что одиночные дислокации движутся со скоростью ~ 10 мс. −1 в чистой Cu, но группы дислокаций перемещались со скоростью ~10 −6 РС −1 в Cu-0,5%Al. Противоположное наблюдается для железа: обнаружено, что группы дислокаций в сплаве FeSi движутся на шесть порядков быстрее, чем отдельные дислокации в чистом железе.
Чтобы решить эту проблему, Спаркс и др. разработал эксперимент по измерению первого разрушения кремниевой балки и сравнению с теоретическим прогнозом, чтобы определить скорость реакции системы. [ 13 ] Помимо регулярных экспериментов по сжатию, проводились измерения электрического контактного сопротивления (ECR) на месте. Во время этих испытаний на месте во время эксперимента по деформации применялось постоянное напряжение для регистрации изменения тока во время прерывистого пластического течения. Результаты показывают, что наконечник отпечатка остается в контакте с образцом на протяжении всего эксперимента, что доказывает, что скорость реакции достаточно высока.
Теоретический анализ и моделирование
[ редактировать ]Распределения лавинной деформации имеют общий вид [ 5 ]
![{\displaystyle P(s)=Cs^{-\tau }exp[-(s/s_{0})^{2}]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/7933a05e2c1ac18382533d35d11a27405560043a)
где C — константа нормализации, t — показатель масштабирования, а s 0 — характерная деформация крупнейших лавин.
Динамическое моделирование дислокаций показало, что иногда может быть близко к 1,5, но также наблюдаются показатели степени, во много раз более высокие, со значениями, которые в особых обстоятельствах могут даже приближаться к 3. [ 14 ] [ 15 ] Хотя традиционные предсказания теории среднего поля предполагают значение 1,5, [ 16 ] [ 17 ] более продвинутые исследования среднего поля показали, что более высокие показатели степени могут быть вызваны нетривиальными, но распространенными механизмами пластичности кристаллов, которые подавляют популяции мобильных дислокаций. [ 18 ] [ 19 ]
Влияние кристаллической структуры на лавины дислокаций
[ редактировать ]В кристаллах FCC масштабированная скорость показывает основной пик распределения с относительно плавной кривой, что и ожидается из теории, за исключением некоторого расхождения при низкой скорости. [ 20 ] Однако в кристалле BCC распределение масштабированной скорости более широкое и гораздо более дисперсное. [ 21 ] Результат также показывает, что масштабированная скорость в BCC намного медленнее, чем в FCC, что не предсказывается теорией среднего поля. Возможное объяснение этого несоответствия основано на разной скорости движения краевых и винтовых дислокаций в двух типах кристаллов. В кристаллах ГЦК две части дислокации движутся с одинаковой скоростью, что приводит к плавному усредненному профилю лавин; тогда как в кристаллах BCC краевые компоненты движутся быстро и быстро ускользают, а винтовые части распространяются медленно, что замедляет общую скорость. На основании этого объяснения можно ожидать также направленной зависимости лавинных событий в кристаллах ГПУ, которая в настоящее время отсутствует в экспериментальных данных.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Лебёдкин, М.А.; Эстрин, Ю. (2005). «Мультифрактальный анализ эффекта Портевена-Ле Шателье: общий подход и применение к сплавам AlMg и AlMg/Al 2 O 3 ». Акта Материалия . 53 (12): 3403–3413. Бибкод : 2005AcMat..53.3403L . дои : 10.1016/j.actamat.2005.03.042 .
- ^ Ван, Г.; Чан, КЦ; Ся, Л.; Ага.; Шен, Дж.; Ван, WH (2009). «Самоорганизованное прерывистое пластическое течение в объемных металлических стеклах». Акта Материалия . 57 (20): 6146–6155. Бибкод : 2009AcMat..57.6146W . дои : 10.1016/j.actamat.2009.08.040 . hdl : 10397/15545 .
- ^ Фридман, Нир; Дженнингс, Эндрю Т.; Цекенис, Георгиос; Ким, Джу-Янг; Тао, Молей; и др. (30 августа 2012 г.). «Статистика лавин скольжения дислокаций в наноразмерных монокристаллах демонстрирует настроенное критическое поведение, предсказанное простой моделью среднего поля» . Письма о физических отзывах . 109 (9): 095507. Бибкод : 2012PhRvL.109i5507F . дои : 10.1103/physrevlett.109.095507 . ПМИД 23002851 .
- ^ Димидук, ДМ (26 мая 2006 г.). «Безнакипное прерывистое течение в пластичности кристаллов». Наука . 312 (5777): 1188–1190. Бибкод : 2006Sci...312.1188D . дои : 10.1126/science.1123889 . ПМИД 16728635 . S2CID 22061734 .
- ^ Jump up to: а б Цикор, ФФ; Моц, К.; Вейганд, Д.; Заайзер, М.; Заппери, С. (12 октября 2007 г.). «Лавины дислокаций, всплески деформации и проблема пластической формовки в микрометровом масштабе». Наука . 318 (5848): 251–254. Бибкод : 2007Sci...318..251C . дои : 10.1126/science.1143719 . ПМИД 17932293 . S2CID 30014046 .
- ^ Бринкманн, Штеффен; Ким, Джу-Янг; Грир, Джулия Р. (17 апреля 2008 г.). «Фундаментальные различия в механическом поведении двух типов кристаллов на наноуровне» . Письма о физических отзывах . 100 (15): 155502. Бибкод : 2008PhRvL.100o5502B . дои : 10.1103/physrevlett.100.155502 . ПМИД 18518121 .
- ^ Фишер, Дэниел С. (1998). «Коллективный транспорт в случайных средах: от сверхпроводников до землетрясений». Отчеты по физике . 301 (1–3): 113–150. arXiv : cond-mat/9711179 . Бибкод : 1998PhR...301..113F . дои : 10.1016/s0370-1573(98)00008-8 . S2CID 13903993 .
- ^ Юинг, Дж. А.; Розенхайн, Вальтер (1900). «XI. Бейкеровская лекция. – Кристаллическая структура металлов». Философские труды Лондонского королевского общества. Серия А, содержащая статьи математического или физического характера . 193 : 353–375. Бибкод : 1900RSPTA.193..353E . дои : 10.1098/rsta.1900.0011 .
- ^ Портевин, А.; Ле Шателье, Ф. (1923). «О явлении, наблюдаемом при испытании сплавов на растяжение при превращении» . Труды Академии наук (на французском языке). 176 :507.
- ^ Мигель, М.-Кармен; Веспиньяни, Алессандро; Заппери, Стефано; Вайс, Жером; Грассо, Жан-Робер (2001). «Периодическое течение дислокаций при вязкопластической деформации». Природа . 410 (6829): 667–671. arXiv : cond-mat/0105069 . Бибкод : 2001Natur.410..667M . дои : 10.1038/35070524 . ПМИД 11287948 . S2CID 4414986 .
- ^ Вайс, Дж. (3 января 2003 г.). «Трехмерное картирование лавин дислокаций: кластеризация и пространственно-временная связь». Наука . 299 (5603): 89–92. Бибкод : 2003Sci...299...89W . дои : 10.1126/science.1079312 . ПМИД 12511646 . S2CID 22277137 .
- ^ Ришетон, Тибо; Вайс, Жером; Луше, Франсуа (8 мая 2005 г.). «Нарушение лавинно-критического поведения в поликристаллической пластичности». Природные материалы . 4 (6): 465–469. Бибкод : 2005NatMa...4..465R . дои : 10.1038/nmat1393 . ПМИД 15880114 . S2CID 41540196 .
- ^ Спаркс, Г.; Фани, П. Судхаршан; Ханген, Ю.; Маас, Р. (2017). «Динамика пространственно-временного скольжения при деформации микрокристаллов золота». Акта Материалия . 122 : 109–119. Бибкод : 2017AcMat.122..109S . дои : 10.1016/j.actamat.2016.09.026 .
- ^ Вайс, Джером; и др. (2015). «От слабых до диких колебаний пластичности кристаллов» . Письма о физических отзывах . 2015 (10): 105504. doi : 10.1103/PhysRevLett.114.105504 . ПМИД 25815948 .
- ^ Папаниколау, С.; и др. (2012). «Квазипериодические события в пластичности кристалла и самоорганизующийся лавинный генератор». Природа . 2012 (7421): 517–521. arXiv : 1305.2531 . Бибкод : 2012Natur.490..517P . дои : 10.1038/nature11568 . ПМИД 23099406 . S2CID 4353976 .
- ^ Заайзер, Майкл; Моретти, Паоло (5 августа 2005 г.). «Флуктуационные явления пластичности кристаллов - модель континуума». Журнал статистической механики: теория и эксперимент . 2005 (8): P08004. arXiv : cond-mat/0505593 . Бибкод : 2005JSMTE..08..004Z . дои : 10.1088/1742-5468/2005/08/p08004 . S2CID 14397222 .
- ^ Заайзер, Майкл (2006). «Масштабная инвариантность в пластическом течении кристаллических твердых тел». Достижения физики . 55 (1–2): 185–245. Бибкод : 2006AdPhy..55..185Z . дои : 10.1080/00018730600583514 . S2CID 120211362 .
- ^ Вайс, Джером; и др. (2021). «Колебания кристаллической пластичности» . Физические отчеты . 22 (С3): 163–199. arXiv : 2012.12780 . Бибкод : 2021CRPhy..22S.163W . дои : 10.5802/crphys.51 .
- ^ Песня, Х; и др. (2019). «Класс универсальности пластичности нанокристаллов: локализация и самоорганизация в динамике дискретных дислокаций». Письма о физических отзывах . 122 (17): 178001. arXiv : 1810.11964 . Бибкод : 2019PhRvL.122q8001S . doi : 10.1103/PhysRevLett.122.178001 . ПМИД 31107061 . S2CID 53464121 .
- ^ Папаниколау, С.; Цуй, Инань; Гонием, Наср (2017). «Лавины и пластическое течение в кристаллопластике: обзор». Моделирование и симуляция в материаловедении и инженерии . 26 : 013001. arXiv : 1705.06843 . дои : 10.1088/1361-651X/aa97ad . S2CID 119433280 .
- ^ Спаркс, Г.; Маас, Р. (2018). «Форма и скоростная релаксация лавин дислокаций в микрокристаллах Au и Nb». Акта Материалия . 152 : 86–95. arXiv : 1705.06636 . Бибкод : 2018AcMat.152...86S . дои : 10.1016/j.actamat.2018.04.007 .