Коттрелловская атмосфера - Cottrell atmosphere

Атом углерода ниже дислокации в железе, образуя атмосферу Коттрелла.

В материаловедении концепция атмосферы Коттрелла была введена А.Х. Коттреллом и Б.А. Билби в 1949 году для объяснения того, как дислокации закрепляются в некоторых металлах межузельными элементами бора , углерода или азота .

Атмосферы Коттрелла встречаются в объемноцентрированных кубических (ОЦК) и гранецентрированных кубических (ГЦК) материалах, таких как железо или никель, с небольшими примесными атомами, такими как бор, углерод или азот. Поскольку эти межузельные атомы слегка искажают решетку, возникает соответствующее поле остаточных напряжений, окружающее межузельное пространство. Это поле напряжений может быть ослаблено за счет диффузии межузельного атома к дислокации, которая содержит небольшую щель в ее ядре (так как это более открытая структура), см. Рис. 1. Как только атом диффундирует в ядро ​​дислокации, атом останется . Обычно требуется только один внедренный атом на плоскость решетки дислокации.

После закрепления дислокации требуется большая сила, чтобы открепить дислокацию до ее податливости, поэтому при комнатной температуре дислокация не открепится. Это дает наблюдаемый верхний предел текучести на графике напряжение-деформация . За пределами верхнего предела текучести закрепленная дислокация будет действовать как источник Франка – Рида для генерации новых дислокаций, которые не закреплены. Эти дислокации могут свободно перемещаться в кристалле, что приводит к последующему более низкому пределу текучести, и материал будет деформироваться более пластично.

После выдержки образца при комнатной температуре в течение нескольких часов атомы углерода повторно диффундируют обратно в ядра дислокаций, что приводит к возврату верхнего предела текучести.

Атмосфера Коттрелла приводит к образованию полос Людерса и большим усилиям для глубокой вытяжки и формирования больших листов, что затрудняет производство. Некоторые стали предназначены для устранения эффекта атмосферы Коттрелла путем удаления всех межузельных атомов. Стали , такие как интерстициальная свободную сталь является обезуглероживанием и небольшие количества титана добавляет для удаления азота.


Подобные явления

Хотя атмосфера Коттрелла является общим эффектом, существуют дополнительные связанные механизмы, которые возникают в более специализированных обстоятельствах.

Эффект Сузуки

Эффект Сузуки характеризуется сегрегацией растворенных веществ в дефекты упаковки. Когда дислокации в системе ГЦК расщепляются на две частичные дислокации, между двумя частичными элементами образуется гексагональная плотноупакованная (ГПУ) упаковка. Х. Сузуки предсказал, что концентрация растворенных атомов на этой границе будет отличаться от основной. Следовательно, движение через это поле растворенных атомов вызовет такое же сопротивление дислокациям, как атмосфера Коттрелла. Позднее Судзуки наблюдал такую ​​сегрегацию в 1961 году. 

Эффект Снука

Эффект Снука характеризуется упорядочением растворенных атомов в поле дислокационных напряжений. В ОЦК металлах также благоприятны междоузлия недеформированной решетки. Однако как только к решетке прикладывается деформация, например, образованная дислокацией, 1/3 узлов становится более благоприятной, чем другие 2/3. Следовательно, атомы растворенных веществ будут перемещаться, чтобы занять подходящие места, образуя короткий порядок растворенных веществ непосредственно в непосредственной близости от дислокации. Следовательно, требуется больше энергии, чтобы сломать дислокацию из этого порядка.

Материалы

Материалы, в которых дислокации описываются атмосферой Коттрелла, включают металлы и полупроводниковые материалы, такие как кристаллы кремния .

использованная литература

  1. ^ Cottrell, AH; Билби, BA (1949), "Вывих Теория Уступая и деформационного старения железа", Труды физического общества , 62 (1): 49-62, Bibcode : 1949PPSA ... 62 ... 49С , DOI : 10,1088 / 0370-1298 / 62/1/308
  2. ^ Blavette, D .; Cadel, E .; Fraczkiewicz, A .; Менанд, А. (1999). "Трехмерное изображение в атомном масштабе сегрегации примесей в линейные дефекты". Наука . 286 (5448): 2317–2319. DOI : 10.1126 / science.286.5448.2317 . PMID  10600736 .
  3. ↑ Васеда, Осаму; Вейга, Роберто Г.А.; Мортомас, Жюльен; Шантренн, Патрис; Бекварт, Шарлотта С .; Рибейро, Фабьен; Jelea, Андрей; Гольденштейн, Гелио; Перес, Мишель (март 2017 г.). «Формирование углеродных атмосфер Коттрелла и их влияние на поле напряжений вокруг краевой дислокации». Scripta Materialia . 129 : 16–19. DOI : 10.1016 / j.scriptamat.2016.09.032 . ISSN  1359-6462 .
  4. ^ Вейга, RGA; Goldenstein, H .; Perez, M .; Бекварт, CS (1 ноября 2015 г.). «Монте-Карло и молекулярно-динамическое моделирование блокировки винтовой дислокации атмосферой Коттрелла в низкоуглеродистых сплавах Fe – C». Scripta Materialia . 108 : 19–22. DOI : 10.1016 / j.scriptamat.2015.06.012 . ISSN  1359-6462 .
  5. ^ Сузуки, Hideji (1952-01-01). «Химическое взаимодействие растворенных атомов с дислокациями» . Научные отчеты научно-исследовательских институтов Университета Тохоку. Сер. A, Физика, химия и металлургия (на японском языке). 4 : 455–463.
  6. ^ Сузуки, Hideji (1962-02-15). «Разделение растворенных атомов на дефекты упаковки». Журнал Физического общества Японии . 17 (2): 322–325. Bibcode : 1962JPSJ ... 17..322S . DOI : 10,1143 / JPSJ.17.322 . ISSN  0031-9015 .
  7. ^ Хосфорд, Уильям Ф. (2005). Механическое поведение материалов . Кембридж: Издательство Кембриджского университета. ISBN 0-521-84670-6. OCLC  56482243 .