Динамическое деформационное старение

Динамическое деформационное старение (ДСА) для материаловедения — это нестабильность пластического течения материалов, связанная с взаимодействием движущихся дислокаций и диффундирующих растворенных веществ. Хотя иногда динамическое деформационное старение используется взаимозаменяемо с эффектом Портевена-Ле Шателье (или зубчатой текучестью), динамическое деформационное старение относится конкретно к микроскопическому механизму, который вызывает эффект Портевена-Ле Шателье. Этот механизм упрочнения связан с упрочнением в твердом растворе и наблюдался в различных сплавах замещения и внедрения с ГЦК и ОЦК , металлоидах, таких как кремний, и упорядоченных интерметаллидах в определенных диапазонах температур и скоростей деформации . ^{[ 1 ]}

Описание механизма

В материалах движение дислокаций представляет собой прерывистый процесс. Когда дислокации встречают препятствия во время пластической деформации (например, частицы или дислокации леса), они временно задерживаются на определенное время. За это время растворенные вещества (такие как межузельные частицы или примеси замещения) диффундируют вокруг закрепленных дислокаций, еще больше усиливая удержание препятствий на дислокациях. В конце концов эти дислокации преодолеют препятствия с достаточным напряжением и быстро перейдут к следующему препятствию, где они остановятся, и процесс может повториться. ^{[ 2 ]} Наиболее известными макроскопическими проявлениями этого процесса являются полосы Людерса и эффект Портевена – Ле Шателье. Однако известно, что этот механизм влияет на материалы без этих физических наблюдений. ^{[ 3 ]}

Модель для заместительного растворенного вещества DSA

В металлических сплавах с замещающими растворенными элементами, таких как алюминиево-магниевые сплавы, динамическое деформационное старение приводит к отрицательной чувствительности к скорости деформации, что вызывает нестабильность пластического течения. ^{[ 4 ]} Диффузию плоскость растворенных элементов вокруг дислокации можно смоделировать на основе энергии, необходимой для перемещения атома растворенного вещества через скольжения дислокации. ^{[ 5 ]} Краевая дислокация создает поле напряжений, которое сжимает выше плоскости скольжения и растягивает ниже. ^{[ 6 ]} В сплавах Al-Mg атом Mg больше атома Al и имеет меньшую энергию на стороне растяжения плоскости скольжения дислокации; следовательно, атомы Mg вблизи краевой дислокации вынуждены диффундировать через плоскость скольжения (см. рисунок). ^{[ 5 ]}^{[ 4 ]} Возникающая в результате область с более низкой концентрацией растворенного вещества над плоскостью скольжения ослабляет материал в области вблизи закрепленной дислокации, так что, когда дислокация снова становится подвижной, напряжение, необходимое для ее перемещения, временно уменьшается. Этот эффект может проявляться в виде зубцов на кривой напряжения-деформации (эффект Портевена-Ле Шателье). ^{[ 4 ]}

Поскольку диффузия растворенных веществ активируется термически, повышение температуры может увеличить скорость и диапазон диффузии вокруг ядра дислокации. Это может привести к более серьезному падению напряжения, обычно характеризующемуся переходом от зубцов типа A к зубцам типа C. ^{[ 7 ]}

Эффекты материальных свойств

Хотя зубцы на кривой напряжение-деформация, вызванные эффектом Портевена-Ле Шателье, являются наиболее заметным эффектом динамического деформационного старения, могут присутствовать и другие эффекты, когда этот эффект не виден. ^{[ 3 ]} Часто, когда прерывистый поток не виден, старение при динамической деформации характеризуется более низкой чувствительностью к скорости деформации. В режиме Портевена-Ле Шателье это становится негативным. ^{[ 8 ]} Динамическое деформационное старение также вызывает плато прочности, пик напряжения текучести. ^{[ 9 ]} пик деформационного упрочнения , пик константы Холла-Петча и минимальное изменение пластичности в зависимости от температуры. ^{[ 10 ]} Поскольку динамическое деформационное старение является явлением упрочнения, оно увеличивает прочность материала. ^{[ 10 ]}

Влияние легирующих элементов на ДСА

По пути взаимодействия можно выделить две категории. Элементы первого класса, такие как углерод(C) и азот(N), вносят непосредственный вклад в ДСА, достаточно быстро диффундируя через решетку к дислокациям и блокируя их. Такой эффект определяется растворимостью элемента, коэффициентом диффузии и энергией взаимодействия элементов с дислокациями, т.е. степенью блокировки дислокаций.

Типы зубцов DSA

По крайней мере пять классов могут быть идентифицированы в соответствии с внешним видом зубчатого отношения напряжения-деформации.

Тип А

Этот тип, возникающий в результате многократного зарождения полос сдвига и непрерывного распространения полос Людерса, состоит из периодических запирающих зубцов с резким увеличением напряжения течения, за которым следует падение напряжения ниже общего уровня кривой растяжения-деформации. Обычно это наблюдается в низкотемпературной (высокой скорости деформации) части режима DS.

Тип Б

Возникают в результате зарождения узких полос сдвига, которые распространяются прерывисто или не распространяются из-за соседних мест зародышеобразования и, таким образом, колеблются вокруг общего уровня кривой течения. Он возникает при более высокой температуре или более низких скоростях деформации, чем тип А. Он также может развиваться из типа А, когда речь идет о более высокой деформации.

Тип С

Падение напряжений типа С, вызванное разблокировкой дислокаций, находится ниже общего уровня кривой течения. Это происходит при еще более высокой температуре и более низкой деформации по сравнению с типами A и B.

Тип Д

Когда нет наклепа, на кривой напряжения-деформации наблюдается плато, поэтому его также называют ступенчатым типом. Этот тип образует смешанный режим с типом B.

Тип Е

Тип E, возникающий при более высокой нагрузке после типа A, распознать нелегко.

Пример динамического деформационного старения на конкретном материале

Было показано, что динамическое деформационное старение связано со следующими конкретными проблемами материала:

Снижение сопротивления разрушению сплавов Al–Li. ^{[ 1 ]}
Снижение малоцикловой усталостной долговечности аустенитных нержавеющих сталей и суперсплавов в условиях испытаний, аналогичных условиям эксплуатации в быстрых реакторах-размножителях с жидкометаллическим охлаждением, в которых используется этот материал. ^{[ 11 ]}
Снижают вязкость разрушения на 30–40 %, сокращают усталостную долговечность сталей RPC и могут ухудшить стойкость сталей к растрескиванию в агрессивных средах. Восприимчивость сталей RPC к воздействию окружающей среды в условиях высокотемпературной воды совпадает с поведением DSA. ^{[ 12 ]}
Специфические проблемы ПЛК, такие как синеломкость стали, потеря пластичности и плохая обработка поверхности штампованных алюминиево-магниевых сплавов. ^{[ 13 ]}

См. также

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б Месарович, Синиша (1995) «Динамическое деформационное старение и пластическая нестабильность». Дж. Мех. Физ. Твердые вещества 43 : 671–701 № 5
^ Ван Ден Бёкель, А. (1975) «Теория влияния динамического деформационного старения на механические свойства». Физ. Стат. Сол. (а) 30 197 :
^ Jump up to: ^а ^б Аткинсон, Дж. Д. и Ю, Дж. (1997) «Роль динамического деформационного старения в растрескивании под воздействием окружающей среды, наблюдаемом в сталях сосудов под давлением». Усталостный перелом англ. Матер. Структура. Том 20 № 1 : 1–12.
^ Jump up to: ^а ^б ^с Абулфади Х., Дегес Дж., Чой П., Раабе Д. (2015) «Динамическое деформационное старение, изученное на атомном уровне», Acta Materialia 86 :34-42.
^ Jump up to: ^а ^б Кертин, В.А., Олмстед, Д.Л., Гектор младший, Л.Г. (2006) «Механизм прогнозирования динамического деформационного старения в алюминиево-магниевых сплавах», Nature Materials 5 :875-880.
^ Кай, В., Никс, В.Д. (2016) «Дефекты в кристаллических твердых телах», Cambridge University Press, ISBN 978-1-107-12313-7
^ Пинк, Э., Гринберг, А. (1981) «Зубчатое течение в ферритной нержавеющей стали», Материаловедение и инженерия, 51 вып. 1, стр.1-8
^ Ханер, Питер (1996) «О физике эффекта Портевена-Ле Шателье, часть 1: Статистика динамического деформационного старения» Материаловедение и инженерия A207 :
^ Маннан, С.Л. (1993) «Роль динамического старения пятен на малоцикловой усталости». Материаловедение, том 16, № 5 : 561–582.
^ Jump up to: ^а ^б Сэмюэл, К.Г., Маннан, С.Л., Родригес, П. (1996) «Другое проявление динамического деформационного старения», Journal of Materials Science Letters 15 : 1697-1699.
^ 2) Маннан, С.Л., «Роль динамического старения пятен в малоцикловой усталости», Material Science, том 16, № 5, декабрь 1993 г., стр. 561-582.
^ Аткинсон, Дж. Д. и Ю, Дж. «Роль динамического деформационного старения в растрескивании под воздействием окружающей среды, наблюдаемом в сталях сосудов под давлением» Усталостный перелом Engeg. Структура Материса. Том. 20 № 1 стр.1-12 1997 г.
^ Аббади М., Ханер П., Зеглул А., «О характеристиках полосы Портевена-Ле Шателье в алюминиевом сплаве 5182 при испытаниях на растяжение с контролируемым напряжением и деформацией» Материаловедение и инженерия A337, 2002, стр. 194 -201

[one-1] Jump up to: ^а ^б Месарович, Синиша (1995) «Динамическое деформационное старение и пластическая нестабильность». Дж. Мех. Физ. Твердые вещества 43 : 671–701 № 5

[two-2] Ван Ден Бёкель, А. (1975) «Теория влияния динамического деформационного старения на механические свойства». Физ. Стат. Сол. (а) 30 197 :

[three-3] Jump up to: ^а ^б Аткинсон, Дж. Д. и Ю, Дж. (1997) «Роль динамического деформационного старения в растрескивании под воздействием окружающей среды, наблюдаемом в сталях сосудов под давлением». Усталостный перелом англ. Матер. Структура. Том 20 № 1 : 1–12.

[Aboulfadi2015-4] Jump up to: ^а ^б ^с Абулфади Х., Дегес Дж., Чой П., Раабе Д. (2015) «Динамическое деформационное старение, изученное на атомном уровне», Acta Materialia 86 :34-42.

[Curtin2006-5] Jump up to: ^а ^б Кертин, В.А., Олмстед, Д.Л., Гектор младший, Л.Г. (2006) «Механизм прогнозирования динамического деформационного старения в алюминиево-магниевых сплавах», Nature Materials 5 :875-880.

[Cai2016-6] Кай, В., Никс, В.Д. (2016) «Дефекты в кристаллических твердых телах», Cambridge University Press, ISBN 978-1-107-12313-7

[Pink1981-7] Пинк, Э., Гринберг, А. (1981) «Зубчатое течение в ферритной нержавеющей стали», Материаловедение и инженерия, 51 вып. 1, стр.1-8

[8] Ханер, Питер (1996) «О физике эффекта Портевена-Ле Шателье, часть 1: Статистика динамического деформационного старения» Материаловедение и инженерия A207 :

[9] Маннан, С.Л. (1993) «Роль динамического старения пятен на малоцикловой усталости». Материаловедение, том 16, № 5 : 561–582.

[Samuel96-10] Jump up to: ^а ^б Сэмюэл, К.Г., Маннан, С.Л., Родригес, П. (1996) «Другое проявление динамического деформационного старения», Journal of Materials Science Letters 15 : 1697-1699.

[11] 2) Маннан, С.Л., «Роль динамического старения пятен в малоцикловой усталости», Material Science, том 16, № 5, декабрь 1993 г., стр. 561-582.

[12] Аткинсон, Дж. Д. и Ю, Дж. «Роль динамического деформационного старения в растрескивании под воздействием окружающей среды, наблюдаемом в сталях сосудов под давлением» Усталостный перелом Engeg. Структура Материса. Том. 20 № 1 стр.1-12 1997 г.

[13] Аббади М., Ханер П., Зеглул А., «О характеристиках полосы Портевена-Ле Шателье в алюминиевом сплаве 5182 при испытаниях на растяжение с контролируемым напряжением и деформацией» Материаловедение и инженерия A337, 2002, стр. 194 -201

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]