Energie poruchy stohování - Stacking-fault energy

The energie stohovací poruchy (SFE) je vlastnost materiálu ve velmi malém měřítku. Je označován jako γSFE v jednotkách energie na plochu.

A chyba stohování je přerušení normální skládací sekvence atomových rovin v těsném záběru Krystalická struktura. Tato přerušení nesou určitou energii stohovací poruchy. Šířka chyby stohování je důsledkem rovnováhy mezi odpudivou silou mezi dvěma částečnými dislokace na jedné straně a přitažlivá síla způsobená povrchové napětí chyby stohování na druhé straně. Šířka rovnováhy je tedy částečně určena energií stohovací chyby. Když je SFE vysoká, disociace plné dislokace na dvě části je energeticky nepříznivá a materiál se může deformovat buď dislokačním skluzem nebo křížovým skluzem. Materiály s nižším SFE vykazují širší chyby stohování a mají větší potíže s prokluzováním. SFE upravuje schopnost dislokace v krystal klouzat na protínající se skluzové letadlo. Když je SFE nízká, mobilita dislokací v materiálu klesá.[1]

MateriálMosazNerezová ocelAg (stříbrný )AuSi (Křemík )Ni (Nikl )Cu (Měď )Mg (Hořčík )Al (Hliník )
SFE (mJ m−2)<10[2]<10[2]25[2]75[2]>4290 [2][3]70[4] -78[5]125 [6]160-250 [7][2]

Stohování poruch a akumulace energie poruch

A chyba stohování je nepravidelnost v rovinné skládací sekvenci atomů v krystalu - v kovech FCC je normální skládací sekvence ABCABC atd., ale pokud je zavedena chyba skládání, může to vnést nepravidelnost, jako je ABCBCABC, do normální skládací sekvence. Tyto nepravidelnosti nesou určitou energii, která se nazývá energie stohovací chyby.

Vlivy na skládání poruchové energie

Graf toho, jak se SFE rychle zmenšuje zinek obsah slitiny. Data převzata z.[8][9]
Graf toho, jak se SFE rychle zmenšuje hliník obsah slitiny. Data převzata z.[10][11][12]

Energie poruchy zásobníku je silně ovlivněna několika hlavními faktory, konkrétně obecným kovem, legujícími kovy, procenty slitinových kovů a poměrem valence-elektron k atomu.[13]

Účinky legujících prvků na SFE

Již dlouho bylo prokázáno, že přidání legujících prvků významně snižuje SFE většiny kovů.[14] Který prvek a kolik je přidáno dramaticky ovlivňuje SFE materiálu. Obrázky vpravo ukazují, jak SFE mědi klesá přidáním dvou různých legujících prvků; zinek a hliník. V obou případech SFE mosazi klesá se zvyšujícím se obsahem slitiny. SFE slitiny Cu-Al však klesá rychleji a dosahuje nižšího minima.

poměr e / a

Dalším faktorem, který má významný vliv na SFE materiálu a velmi souvisí s obsahem slitiny, je poměr e / a nebo poměr valenčních elektronů k atomům. Thornton[15] to ukázal v roce 1962 vynesením poměru e / a vs SFE pro několik slitin na bázi Cu. Zjistil, že poměr valence-elektron k atomu je dobrým prediktorem akumulace poruchové energie, i když je změněn legující prvek. To přímo podporuje grafy vpravo. Zinek je těžší prvek a má pouze dva valenční elektrony, zatímco hliník je lehčí a má tři valenční elektrony. Každé hmotnostní procento hliníku má tedy mnohem větší dopad na SFE slitiny na bázi Cu než zinek.

Účinky skládání poruchové energie na deformaci a strukturu

Dvěma hlavními metodami deformace v kovech jsou prokluz a dvojče. K skluzu dochází dislokačním sklouznutím buď dislokací šroubu, nebo okrajů v kluzné rovině. Skluz je zdaleka nejběžnějším mechanismem. Partnerství je méně časté, ale za určitých okolností k němu snadno dojde.

K twinningu dochází, když není k dispozici dostatek skluzových systémů k vyrovnání deformace a / nebo když má materiál velmi nízkou SFE. Dvojčata jsou hojná v mnoha kovech s nízkým SFE, jako jsou slitiny mědi, ale zřídka se vyskytují v kovech s vysokým SFE, jako je hliník.[16][17][18][19][20]

Aby bylo možné pojmout velké kmeny bez prasknutí, musí existovat alespoň pět nezávislých a aktivních skluzových systémů. Když často dochází k prokluzu a jsou splněna některá další kritéria, někdy jsou pro přizpůsobení velkým deformacím zapotřebí pouze tři nezávislé systémy prokluzu.[21][22]

Kvůli různým deformačním mechanismům ve vysokých a nízkých SFE materiálech vyvíjejí různé textury.

Materiály s vysokým SFE

Materiály s vysokým SFE se deformují klouzáním plných dislokací. Vzhledem k tomu, že nedochází k žádným chybám při stohování, mohou dislokace šroubů prokluzovat. Smallman zjistil, že k prokluzu dochází při malém namáhání materiálů s vysokým SFE, jako je hliník (1964). To dává kovu zvláštní tažnost, protože při křížovém prokluzu potřebuje pouze tři další aktivní systémy prokluzu, aby podstoupil velké namáhání.[23][24] To platí i v případě, že krystal není ideálně orientován.

Materiály s vysokým obsahem SFE proto nemusí měnit orientaci, aby se vyrovnaly s velkými deformacemi v důsledku příčného skluzu. Jak se zrna pohybují během deformace, dojde k určité změně orientace a vývoji textury. Rozsáhlý křížový skluz způsobený velkou deformací také způsobuje určitou rotaci zrna.[25] Tato reorientace zrn u materiálů s vysokým SFE je však mnohem méně rozšířená než u materiálů s nízkým SFE.

Materiály s nízkým SFE

Materiály s nízkým SFE se zdvojnásobují a vytvářejí částečné dislokace. Místo dislokací šroubů se tvoří částečky. Existující šrouby nemohou proklouznout přes chyby stohování ani při vysokém namáhání.[26] Aby nedocházelo k velkým deformacím, musí být aktivní pět nebo více prokluzových systémů. Pro oba směry <111> a <100> existuje šest a osm různých skluzových systémů. Pokud v jednom z těchto směrů není aplikováno zatížení, může být aktivní pět skluzových systémů. V takovém případě musí být zavedeny i jiné mechanismy, které by pojaly velké kmeny.

Materiály s nízkým obsahem SFE se při namáhání také zdvojnásobí. Pokud se kombinuje deformační partnerství s pravidelnou smykovou deformací, zrna se nakonec vyrovnají směrem k preferovanější orientaci.[27][28] Když se mnoho různých zrn zarovná, vytvoří se vysoce anizotropní textura.

Poznámky

  1. ^ A. Kelly a K. M. Knowles, Krystalografie a vady krystalů, John Wiley & Sons, Ltd, Chichester, 2nd vyd., 2012, ch. 9, s. 269–304.
  2. ^ A b C d E F Hertzberg, Richard W .; Vinci, Richard P .; Hertzberg, Jason L. (2013). Deformační a lomová mechanika technických materiálů. John Wiley & Sons, Inc. str. 80. ISBN  978-0-470-52780-1.
  3. ^ Luc Remy. Disertační práce, Universite de Paris-Sud, Orsay, Francie, 1975.
  4. ^ Venables, J. A. (1964). Elektronová mikroskopie deformačního twinningu. Journal of Physics and Chemistry Solid, 25, 685-690.
  5. ^ Zhao, Y.H., Liao, Y.Y., Zhu, Y.T. (2005). Vliv akumulace poruchové energie na nanostrukturu při vysokotlaké torzi. Materials Science and Engineering A, 410-411, 188-193.
  6. ^ N.V. Ravi Kumar a kol., Zušlechťování zrna ve slitině hořčíku AZ91 během termomechanického zpracování, Materiály a inženýrství A359 (2003), 150-157.
  7. ^ Lawrence E. Murr. Mezifázové jevy v kovech a slitinách. Addison-Wesley Pub. Co., 1975.
  8. ^ Rohatgi, A., Vecchio, K., Gray, G., (2001). Vliv energie poruchy stohování na mechanické chování slitiny Cu a Cu-Al: Deformační partnerství, vytvrzování a dynamické zotavení. Metalurgické a materiálové transakce A 32A, 135-145.
  9. ^ Zhao, Y.H., Liao, Y.Y., Zhu, Y.T. (2005). Vliv akumulace poruchové energie na nanostrukturu při vysokotlaké torzi. Materials Science and Engineering A, 410-411, 188-193.
  10. ^ Rohatgi, A., Vecchio, K., Gray, G., (2001). Vliv energie poruchy stohování na mechanické chování slitiny Cu a Cu-Al: Deformační partnerství, vytvrzování a dynamické zotavení. Metalurgické a materiálové transakce A 32A, 135-145.
  11. ^ Venables, J. A. (1964). Elektronová mikroskopie deformačního twinningu. Journal of Physics and Chemistry Solid, 25, 685-690.
  12. ^ Johari, O., Thomas, G., (1964). Substráty ve výbušně deformovaných slitinách Cu a CU-Al. Acta Metallurgica 12, (10), 1153-1159.
  13. ^ Thornton, P. R., Mitchell, T. E., Hirsch, P. B., (1962). Závislost příčného skluzu na stohování poruchové energie v kubických kovech a slitinách na střed. Philosophical Magazine, 7, (80), 1349-1369.
  14. ^ Venables, J. A. (1964). Elektronová mikroskopie deformačního twinningu. Journal of Physics and Chemistry Solid, 25, 685-690.
  15. ^ Thornton, P. R., Mitchell, T. E., Hirsch, P. B., (1962). Závislost příčného skluzu na stohování poruchové energie v kubických kovech a slitinách na střed. Philosophical Magazine, 7, (80), 1349-1369.
  16. ^ El-Danaf, E., (2012). Mechanické vlastnosti, mikrostruktura a vývoj mikrostruktury pro 1050AA deformované pomocí úhlového lisování se stejným kanálem (ECAP) a komprese po rovině deformace po ECAP pomocí dvou schémat zatížení. Materiály a design, 34, 793-807.
  17. ^ Rohatgi, A., Vecchio, K., Gray, G., (2001). Vliv energie stohovací poruchy na mechanické chování slitiny Cu a Cu-Al: Deformační partnerství, vytvrzování a dynamické zotavení. Metalurgické a materiálové transakce A 32A, 135-145.
  18. ^ Venables, J. A. (1964). Elektronová mikroskopie deformačního twinningu. Journal of Physics and Chemistry Solid, 25, 685-690.
  19. ^ Johari, O., Thomas, G., (1964). Substráty ve výbušně deformovaných slitinách Cu a CU-Al. Acta Metallurgica 12, (10), 1153-1159.
  20. ^ Zhao, Y.H., Liao, Y.Y., Zhu, Y.T., (2005). Vliv akumulační poruchové energie na tvorbu nanostruktury při vysokotlaké torzi. Materials Science and Engineering A, 410-411, 188-193.
  21. ^ Dillamore, I., Butler, E., Green, D., (1968). Rotace krystalů za podmínek vynuceného napětí a vlivu twinningu a cross-slipu. Metal Science Journal, 2 (1), 161-167.
  22. ^ Groves, G., Kelly, A., (1963). Nezávislé systémy skluzu v krystalech. Philosophical Magazine, 8 (89), 877-887.
  23. ^ Dillamore, I., Butler, E., Green, D., (1968). Rotace krystalů za podmínek vynuceného napětí a vlivu twinningu a cross-slipu. Metal Science Journal, 2 (1), 161-167.
  24. ^ Groves, G., Kelly, A., (1963). Nezávislé systémy skluzu v krystalech. Philosophical Magazine, 8 (89), 877-887.
  25. ^ Smallman, R., Green, D., (1964). Závislost válcování textury na skládání poruchové energie. Acta Metallurgica, 12 (2), 145-154.
  26. ^ Smallman, R., Green, D., (1964). Závislost válcování textury na skládání poruchové energie. Acta Metallurgica, 12 (2), 145-154.
  27. ^ Dillamore, I., Butler, E., Green, D., (1968). Rotace krystalů za podmínek vynuceného napětí a vlivu twinningu a cross-slipu. Metal Science Journal, 2 (1), 161-167.
  28. ^ Heye, W., Wassermann, G., (1966). Mechanické partnerství ve stříbrných krystalech válcovaných za studena. Physica Status Solidi, 18 (2), K107-K111.