Эффект Портвена – Ле Шателье - Portevin–Le Chatelier effect
Эффект Портевена – Ле Шателье (PLC) описывает зубчатую кривую деформации или скачкообразное течение, которое проявляется у некоторых материалов, когда они подвергаются пластической деформации , в частности, неоднородной деформации . Этот эффект долгое время был связан с динамическим деформационным старением или конкуренцией между диффундирующими растворенными веществами, закрепляющими дислокации, и дислокациями, вырывающимися из этой остановки.
Начало эффекта PLC происходит, когда чувствительность скорости деформации становится отрицательной и начинается неоднородная деформация. Этот эффект также может проявляться на поверхности образца и в полосах пластической деформации. Этот процесс начинается с так называемой критической деформации , которая представляет собой минимальную деформацию, необходимую для появления зубцов на кривой зависимости напряжения от деформации. Критическая деформация зависит как от температуры, так и от скорости деформации. Существование критической деформации объясняется лучшим коэффициентом диффузии растворенного вещества из-за деформации созданных вакансий и повышенной плотности подвижных дислокаций. Оба эти фактора вносят вклад в нестабильность сплавов замещения, в то время как сплавы внедрения влияют только на увеличение плотности подвижных дислокаций.
История
Хотя эффект назван в честь Портвена и Ле Шателье, они не были первыми, кто его обнаружил. Феликс Савар сделал открытие, когда наблюдал неоднородную деформацию во время испытания на растяжение медных полос. Он задокументировал физические зазубрины в своих образцах, которые в настоящее время известны как ленты Портвена-Ле Шателье. Ученик Саварта, Мейсон, повторил эксперимент, контролируя скорость нагрузки. Мейсон заметил, что при постоянной скорости нагружения образцы будут испытывать внезапные большие изменения удлинения (до нескольких миллиметров).
Основы физики
Большая часть физики, лежащей в основе эффекта Портвена-Ле Шателье, лежит в конкретном случае ползучести увлечения растворенного вещества. Добавление атомов растворенного вещества к чистому кристаллу приводит к несоответствию размеров в системе. Такое несовпадение размеров приводит к ограничению движения дислокации. При низкой температуре эти растворенные атомы неподвижны внутри решетки, но при высоких температурах растворенные атомы становятся подвижными и более сложным образом взаимодействуют с дислокациями. Когда растворенные атомы подвижны и скорость дислокации не слишком высока, растворенные атомы и дислокация могут перемещаться вместе, где растворенный атом уменьшает движение дислокации.
Эффект Портвена-Ле Шателье возникает в конкретном случае, когда имеет место ползучесть растворенного вещества и существует приложенное напряжение в диапазоне, зависящем от материала, на образец. Приложенное напряжение вызывает увеличение скорости дислокаций, позволяя дислокации двигаться от растворенного вещества. Этот процесс обычно называют «отрывом». Как только дислокация удаляется от растворенного вещества, напряжение на ней уменьшается, что приводит к уменьшению ее скорости. Это позволяет атомам растворенного вещества «догонять» дислокацию. Как только растворенный атом догоняет атом, напряжение на дислокации значительно увеличивается, в результате чего процесс повторяется.
Циклические изменения, описанные выше, вызывают зазубрины в пластической области диаграммы напряжения-деформации испытания на растяжение, которое подвергается эффекту Портвена-Ле Шателье. Изменение напряжения также приводит к возникновению неоднородной деформации по всему образцу, которая может быть видна невооруженным глазом при наблюдении за шероховатой поверхностью.
Условия, влияющие на эффект PLC
Температура
Температура влияет как на скорость распространения ленты через материал, так и на критическую деформацию. Скорость распространения полосы пропорциональна температуре (более низкая температура более низкая скорость, более высокая температура более высокая скорость). Часто критическая деформация сначала уменьшается из-за температуры. Влияние температуры на режим PLC вызвано повышенной способностью растворенных веществ диффундировать к дислокациям с повышением температуры. Хотя механизм диффузии полностью не изучен, считается, что растворенные атомы диффундируют либо по объему (высокая температура), либо за счет диффузии в лентах дефекта упаковки между частичными дислокациями (промежуточная температура), либо за счет диффузии по трубам (низкая температура).
Скорость деформации
В то время как температура связана со скоростью диффузии, скорость деформации определяет время, необходимое дислокациям для преодоления этих препятствий, и оказывает драматическое влияние на условия эффекта PLC. Таким образом, как правило, критическое напряжение уменьшается с увеличением скорости деформации. Кроме того, чем выше уровень напряжения, тем ниже скорость ленты.
Выпадает в осадок
Осадки , часто встречающиеся в сплавах Al (особенно разновидности Mg), усложняют эффект PLC.
Часто эти выделения вызывают так называемое обратное поведение, которое изменяет влияние как скорости деформации, так и температуры на твердое тело. Показано, что присутствие выделений влияет на появление и исчезновение зазубрин на кривой деформации напряжения.
Размером с зернышко
Структура материала также влияет на внешний вид и параметры, описывающие эффект PLC. Например, величина падения напряжения больше при меньшем размере зерна. Критическая деформация часто увеличивается с увеличением зерен, что связано с зависимостью плотности дислокаций от размера зерен. Амплитуда зубцов больше в сплавах Al-Mg для более мелкого размера зерна. Существует корреляция между увеличением критической деформации и возникновением зазубрин с увеличением размера зерна. Но некоторые данные показывают, что размер зерна практически не влияет на скорость или ширину полосы.
Материал отделки
Полировка материала влияет на начало эффекта PLC и скорость ленты. Очевидно, более шероховатая поверхность обеспечивает больше точек зарождения высокого напряжения, которые помогают инициировать полосы деформации . В полированном образце эти полосы также распространяются вдвое быстрее.
Не эффекты
Количество вакансий не влияет напрямую на точку старта ПЛК. Было обнаружено, что если материал предварительно деформируется до значения 1/2 от того, которое требуется для инициирования резкого течения, а затем выдерживается при температуре испытания или отжигается для удаления вакансий (но достаточно низкого, чтобы не затрагивать структуру дислокаций), то общая критическая деформация лишь немного снижается, как и типы зубцов, которые возникают.
Дескрипторы зубцов
В то время как такие свойства, как чувствительность к скорости деформации и критическая деформация, отмечают начало эффекта PLC, люди разработали систему для описания самих зубцов. Эти типы часто зависят от скорости деформации, температуры и размера зерна. Хотя обычно группы имеют обозначения A, B и C, некоторые источники добавили полосы типа D и E. Поскольку полосы типа A, B и C чаще всего встречаются в литературе, они будут единственными, о которых идет речь.
Группы типа А
Полосы типа А часто наблюдаются при высокой скорости деформации и низких температурах. Они представляют собой случайное развитие полос, образующихся по всему экземпляру. Обычно их описывают как непрерывно распространяющиеся с небольшими перепадами напряжения.
Группы типа B
Полосы типа B иногда называют «скачкообразными» полосами, и они появляются при средней или высокой скорости деформации. Их часто видят как каждую полосу, формирующуюся перед предыдущей в пространственно коррелированном виде. Зубцы более неправильные с меньшей амплитудой, чем у типа C.
Полосы типа C
Полосы C часто видны при низкой приложенной скорости деформации или высоких температурах. Они идентифицируются со случайными зародышами статических полос с большим характерным падением напряжения и зубчатостью.
Другие примечания о типах лент
Считается, что различные типы полос представляют различные состояния дислокации в полосах, и типы полос могут изменяться на кривой деформации напряжения материала. В настоящее время нет моделей, которые могут зафиксировать изменение типов полос.
Эффект Портевена-Ле Шателье (ПЛК) является доказательством неравномерного деформирования коммерческих сплавов CuNi25 при промежуточных температурах. В сплаве CuNi25 это проявляется в виде неровностей в виде зазубрин на кривой растяжения. Это свидетельствует о нестабильности силы при растяжении и неоднородности микроструктуры, а также о наличии множества неоднородных факторов, влияющих на ее механические свойства.
Проблемы, вызванные эффектом ПЛК
Поскольку эффект PLC связан с механизмом упрочнения, прочность стали может увеличиваться; однако пластичность и пластичность материала, подверженного эффекту PLC, резко снижаются. Известно, что эффект PLC вызывает синюю хрупкость стали; Кроме того, потеря пластичности может вызвать образование шероховатых поверхностей во время деформации (сплавы Al-Mg особенно подвержены этому), что делает их бесполезными для автомобильных кузовов или литья.