Energia błędu układania - Stacking-fault energy

Energia Stacking winy (SFE) jest właściwością materiałów na bardzo małą skalę. Jest zapisywany jako γ SFE w jednostkach energii na powierzchnię.

Błąd ułożenia stanowi przerwanie normalnej sekwencji nakładanie płaszczyzn atomowych w ściśle upakowanych struktury krystalicznej . Przerwy te niosą ze sobą pewną energię błędu układania. Szerokość uskoku spiętrzenia jest konsekwencją równowagi między siłą odpychającą między dwoma częściowymi przemieszczeniami z jednej strony a siłą przyciągania wynikającą z napięcia powierzchniowego z drugiej strony błędu układania. Szerokość równowagi jest więc częściowo określona przez energię błędu układania. Kiedy SFE jest wysokie, dysocjacja pełnej dyslokacji na dwie częściowe jest energetycznie niekorzystna, a materiał może się odkształcać przez poślizg dyslokacyjny lub poślizg krzyżowy. Niższe materiały SFE wykazują szersze wady układania i mają większe trudności z poślizgiem krzyżowym. SFE modyfikuje zdolność przemieszczania się kryształu do ślizgania się po przecinającej się płaszczyźnie poślizgu . Gdy SFE jest niskie, ruchliwość dyslokacji w materiale maleje.

Materiał Mosiądz Stal nierdzewna Ag ( srebrny ) Au Si ( krzem ) Ni ( nikiel ) Cu ( miedź ) Mg ( magnez ) Al ( aluminium )
SFE ( mJ m −2 ) <10 <10 25 75 > 42 90 70 -78 125 160-250

Usterki układania i energia błędów układania

Błąd ułożenia stanowi nieprawidłowość w płaszczyźnie układania sekwencję atomów w krysztale - metalami FCC prawidłową sekwencję Układanie jest ABCABC itd., Lecz w przypadku błędu ułożenia wprowadza może wprowadzić nieprawidłowości, takich jak ABCBCABC w normalnej sekwencji układania. Te nieregularności przenoszą pewną energię, która jest nazywana energią błędu układania.

Wpływy na energię błędów układania

Wykres pokazujący, jak SFE szybko spada wraz z zawartością stopu cynku . Dane zaczerpnięte z.
Wykres pokazujący, jak SFE szybko spada wraz z zawartością stopu aluminium . Dane zaczerpnięte z.

Na energię błędu układania duży wpływ ma kilka głównych czynników, w szczególności metal nieszlachetny, metale stopowe, procent metali stopowych i stosunek wartościowości elektronów do atomów.

Wpływ pierwiastków stopowych na SFE

Od dawna ustalono, że dodatek pierwiastków stopowych znacznie obniża SFE większości metali. Który pierwiastek i ile jest dodany, dramatycznie wpływa na SFE materiału. Rysunki po prawej stronie pokazują, jak SFE miedzi obniża się po dodaniu dwóch różnych pierwiastków stopowych; cynk i aluminium. W obu przypadkach SFE mosiądzu zmniejsza się wraz ze wzrostem zawartości stopu. Jednak SFE stopu Cu-Al spada szybciej i osiąga niższe minimum.

stosunek e / a

Innym czynnikiem, który ma znaczący wpływ na SFE materiału i jest silnie powiązany z zawartością stopu, jest stosunek e / a, czyli stosunek elektronów walencyjnych do atomów. Thornton wykazał to w 1962 r., Wykreślając stosunek e / a względem SFE dla kilku stopów na bazie Cu. Odkrył, że stosunek elektronów walencyjnych do atomów jest dobrym predyktorem energii błędu układania, nawet przy zmianie pierwiastka stopowego. To bezpośrednio obsługuje wykresy po prawej stronie. Cynk jest cięższym pierwiastkiem i ma tylko dwa elektrony walencyjne, podczas gdy aluminium jest lżejsze i ma trzy elektrony walencyjne. Tak więc każdy procent wagowy aluminium ma znacznie większy wpływ na SFE stopu na bazie miedzi niż cynk.

Wpływ energii błędu układania na deformację i teksturę

Dwie podstawowe metody deformacji metali to poślizg i bliźniak. Poślizg występuje w wyniku przemieszczenia poślizgu przemieszczenia śruby lub krawędzi w płaszczyźnie poślizgu. Poślizg jest zdecydowanie najpowszechniejszym mechanizmem. Twinning jest mniej powszechny, ale w pewnych okolicznościach łatwo występuje.

Twinning występuje, gdy nie ma wystarczającej liczby systemów poślizgu, aby dostosować się do odkształcenia i / lub gdy materiał ma bardzo niski współczynnik SFE. Bliźnięta są bogate w wiele metali o niskim SFE, takich jak stopy miedzi, ale są rzadko spotykane w metalach o wysokiej zawartości SFE, takich jak aluminium.

Aby wytrzymać duże odkształcenia bez pęknięć, musi istnieć co najmniej pięć niezależnych i aktywnych systemów poślizgu. Kiedy często występuje poślizg krzyżowy i spełnione są inne kryteria, czasami potrzebne są tylko trzy niezależne systemy poślizgu, aby uwzględnić duże odkształcenia.

Ze względu na różne mechanizmy deformacji materiałów o wysokiej i niskiej wartości SFE, tworzą one różne tekstury.

Materiały o wysokiej zawartości SFE

Materiały o wysokim współczynniku SFE odkształcają się pod wpływem poślizgu pełnych przemieszczeń. Ponieważ nie ma błędów układania, przemieszczenia śrub mogą się ślizgać krzyżowo. Smallman odkrył, że poślizg krzyżowy występuje przy niskim naprężeniu w przypadku materiałów o wysokiej zawartości SFE, takich jak aluminium (1964). Daje to metalowi dodatkową plastyczność, ponieważ przy poślizgu krzyżowym potrzebuje tylko trzech innych aktywnych systemów poślizgu, aby poddać się dużym odkształceniom. Dzieje się tak nawet wtedy, gdy kryształ nie jest idealnie zorientowany.

Dlatego materiały o wysokim współczynniku SFE nie muszą zmieniać orientacji w celu dostosowania się do dużych odkształceń spowodowanych poślizgiem poprzecznym. W miarę przemieszczania się ziaren podczas deformacji nastąpi pewna reorientacja i rozwój tekstury. Rozległy poślizg krzyżowy spowodowany dużym odkształceniem powoduje również pewną rotację ziarna. Jednak ta ponowna orientacja ziaren w materiałach o wysokim SFE jest znacznie mniej powszechna niż w materiałach o niskim SFE.

Materiały o niskim współczynniku SFE

Materiały o niskim współczynniku SFE łączą się i powodują częściowe przemieszczenia. Zamiast zwichnięć śrub tworzą się częściowe. Istniejące śruby nie mogą ślizgać się krzyżowo przez uskoki układania, nawet przy dużych naprężeniach. Pięć lub więcej systemów poślizgu musi być aktywnych, aby wystąpiły duże odkształcenia spowodowane brakiem poślizgu poprzecznego. Dla obu kierunków <111> i <100> jest odpowiednio sześć i osiem różnych systemów poślizgu. Jeśli obciążenie nie zostanie zastosowane w pobliżu jednego z tych kierunków, może być aktywnych pięć systemów poślizgu. W takim przypadku muszą być również zastosowane inne mechanizmy, aby pomieścić duże obciążenia.

Materiały o niskim współczynniku SFE są również bliźniacze przy naprężeniu. Jeśli bliźniacze odkształcenia są połączone z regularnymi odkształceniami przy ścinaniu, ziarna ostatecznie ustawiają się w kierunku bardziej preferowanej orientacji. Kiedy wiele różnych ziaren dopasowuje się do siebie, powstaje wysoce anizotropowa tekstura.

Uwagi

  1. ^ A. Kelly i KM Knowles, Krystalografia i kryształowe Wady , John Wiley & Sons, Ltd, Chichester, 2 nd EDN., 2012, rozdz. 9, s. 269–304.
  2. ^ a b c d e f Hertzberg, Richard W .; Vinci, Richard P .; Hertzberg, Jason L. (2013). Mechanika deformacji i pękania materiałów inżynierskich . John Wiley & Sons, Inc. str. 80. ISBN   978-0-470-52780-1 .
  3. ^ Luc Remy. Praca doktorska, Universite de Paris-Sud, Orsay, Francja, 1975.
  4. ^ Venables, JA (1964). Mikroskopia elektronowa bliźniaczych deformacji. Journal of physics and chemistry solids, 25, 685-690.
  5. ^ Zhao, YH, Liao, YY, Zhu, YT (2005). Wpływ energii błędu układania na nanostrukturę przy skręcaniu pod wysokim ciśnieniem. Nauka o materiałach i inżynieria A, 410-411, 188-193.
  6. ^ NV Ravi Kumar i in., Rafinacja ziarna w stopie magnezu AZ91 podczas obróbki termomechanicznej , Materiały i inżynieria A359 (2003), 150-157.
  7. ^ Lawrence E. Murr. Zjawiska międzyfazowe w metalach i stopach. Pub Addison-Wesley. Co., 1975.
  8. ^ Rohatgi, A., Vecchio, K., Gray, G., (2001). Wpływ energii błędu układania na zachowanie mechaniczne Cu i stopu Cu-Al: bliźniacze odkształcenie, umocnienie przez zgniot i dynamiczne odzyskiwanie. Transakcje metalurgiczne i materiałowe A 32A, 135-145.
  9. ^ Zhao, YH, Liao, YY, Zhu, YT (2005). Wpływ energii błędu układania na nanostrukturę przy skręcaniu pod wysokim ciśnieniem. Nauka o materiałach i inżynieria A, 410-411, 188-193.
  10. ^ Rohatgi, A., Vecchio, K., Gray, G., (2001). Wpływ energii błędu układania na zachowanie mechaniczne Cu i stopu Cu-Al: bliźniacze odkształcenie, umocnienie przez zgniot i dynamiczne odzyskiwanie. Transakcje metalurgiczne i materiałowe A 32A, 135-145.
  11. ^ Venables, JA (1964). Mikroskopia elektronowa bliźniaczych deformacji. Journal of physics and chemistry solids, 25, 685-690.
  12. ^ Johari O. Thomas G. (1964). Podłoża z wybuchowo odkształconych stopów Cu i CU-Al. Acta Metallurgica 12, (10), 1153-1159.
  13. ^ Thornton, PR, Mitchell, TE, Hirsch, PB (1962). Zależność poślizgu poprzecznego od energii błędu układania w metalach sześciennych i stopach o strukturze centralnej. Magazyn filozoficzny, 7, (80), 1349-1369.
  14. ^ Venables, JA (1964). Mikroskopia elektronowa bliźniaczych deformacji. Journal of physics and chemistry solids, 25, 685-690.
  15. ^ Thornton, PR, Mitchell, TE, Hirsch, PB (1962). Zależność poślizgu poprzecznego od energii błędu układania w metalach sześciennych i stopach o strukturze centralnej. Magazyn filozoficzny, 7, (80), 1349-1369.
  16. ^ El-Danaf E., (2012). Właściwości mechaniczne, mikrostruktura i ewolucja mikrotekstury dla 1050AA odkształconego przez równo kanałowe prasowanie kątowe (ECAP) i płaską kompresję odkształcenia po ECAP przy użyciu dwóch schematów obciążenia. Materiały i projektowanie, 34, 793–807.
  17. ^ Rohatgi, A., Vecchio, K., Gray, G., (2001). Wpływ energii błędu układania na zachowanie mechaniczne Cu i stopu Cu-Al: bliźniacze odkształcenie, umocnienie przez zgniot i dynamiczne odzyskiwanie. Transakcje metalurgiczne i materiałowe A 32A, 135-145.
  18. ^ Venables, JA (1964). Mikroskopia elektronowa bliźniaczych deformacji. Journal of physics and chemistry solids, 25, 685-690.
  19. ^ Johari O. Thomas G. (1964). Podłoża z wybuchowo odkształconych stopów Cu i CU-Al. Acta Metallurgica 12, (10), 1153-1159.
  20. ^ Zhao, YH, Liao, YY, Zhu, YT, (2005). Wpływ energii błędu układania na powstawanie nanostruktury pod wpływem skręcania pod wysokim ciśnieniem. Nauka o materiałach i inżynieria A, 410-411, 188-193.
  21. ^ Dillamore I., Butler E., Green D. (1968). Rotacje kryształów w warunkach wymuszonego odkształcenia oraz wpływu bliźniaków i poślizgu krzyżowego. Metal Science Journal, 2 (1), 161-167.
  22. ^ Groves, G., Kelly, A., (1963). Niezależne systemy poślizgowe w kryształach. Magazyn filozoficzny, 8 (89), 877-887.
  23. ^ Dillamore I., Butler E., Green D. (1968). Rotacje kryształów w warunkach wymuszonego odkształcenia oraz wpływu bliźniaków i poślizgu krzyżowego. Metal Science Journal, 2 (1), 161-167.
  24. ^ Groves, G., Kelly, A., (1963). Niezależne systemy poślizgowe w kryształach. Magazyn filozoficzny, 8 (89), 877-887.
  25. ^ Smallman R., Green D. (1964). Zależność tekstury walcowania od energii błędu układania. Acta Metallurgica, 12 (2), 145–154.
  26. ^ Smallman R., Green D. (1964). Zależność tekstury walcowania od energii błędu układania. Acta Metallurgica, 12 (2), 145–154.
  27. ^ Dillamore I., Butler E., Green D. (1968). Rotacje kryształów w warunkach wymuszonego odkształcenia oraz wpływu bliźniaków i poślizgu krzyżowego. Metal Science Journal, 2 (1), 161-167.
  28. ^ Heye W., Wassermann G. (1966). Mechaniczne twinningowanie w walcowanych na zimno srebrnych kryształach Physica Status Solidi, 18 (2), K107-K111.