Энергия дефекта укладки - Stacking-fault energy

Энергия дефекта упаковки (ЭУ) - это свойство материала в очень малом масштабе. Он обозначается как γ SFE в единицах энергии на площадь.

Дефект упаковки прерывание нормальной последовательности укладки атомных плоскостей в плотноупакованной кристаллической структуре . Эти прерывания несут определенную энергию дефекта упаковки. Ширина дефекта упаковки является следствием баланса между силой отталкивания между двумя частичными дислокациями с одной стороны и силой притяжения из-за поверхностного натяжения. с другой стороны, о дефекте укладки. Таким образом, равновесная ширина частично определяется энергией дефекта упаковки. Когда ЭДУ высока, диссоциация полной дислокации на две части является энергетически невыгодной, и материал может деформироваться за счет скольжения дислокации или поперечного скольжения. Материалы с более низким SFE демонстрируют более широкие дефекты упаковки и больше затрудняют поперечное скольжение. SFE изменяет способность дислокации в кристалле скользить по пересекающейся плоскости скольжения . При низком ЭДУ подвижность дислокаций в материале уменьшается.

Материал Латунь Нержавеющая сталь Ag ( серебро ) Au Si ( кремний ) Ni ( никель ) Cu ( медь ) Mg ( магний ) Al ( алюминий )
SFE ( мДж м −2 ) <10 <10 25 75 > 42 90 70 -78 125 160–250

Неисправности упаковки и энергия ошибок упаковки

Дефект упаковки является неравномерностью плоской укладки последовательности атомов в кристалле - в металлах FCC нормальная последовательность укладки является ABCABC и т.д., но если неисправность штабелирования вводится он может ввести неровность , такие как ABCBCABC в нормальную последовательность укладки. Эти неоднородности несут определенную энергию, которая называется энергией дефекта упаковки.

Влияние на энергию дефекта упаковки

График того, как быстро уменьшается SFE с увеличением содержания цинкового сплава. Данные взяты из.
График того, как быстро уменьшается SFE с увеличением содержания алюминиевого сплава. Данные взяты из.

Энергия дефекта упаковки сильно зависит от нескольких основных факторов, в частности от основного металла, легирующих металлов, процента легированных металлов и отношения валентных электронов к атомам.

Влияние легирующих элементов на лесхоз

Давно установлено, что добавление легирующих элементов значительно снижает ЭДУ большинства металлов. Какой элемент и в каком количестве будет добавлен, существенно влияет на SFE материала. На рисунках справа показано, как ЭПД меди снижается при добавлении двух различных легирующих элементов; цинк и алюминий. В обоих случаях ЭДУ латуни уменьшается с увеличением содержания сплава. Однако ЭДУ сплава Cu-Al уменьшается быстрее и достигает более низкого минимума.

e / a соотношение

Еще один фактор, который оказывает значительное влияние на ЭДУ материала и очень взаимосвязан с содержанием сплава, - это отношение е / а, или отношение валентных электронов к атомам. Торнтон продемонстрировал это в 1962 году, построив график отношения e / a в зависимости от SFE для нескольких сплавов на основе меди. Он обнаружил, что отношение валентных электронов к атомам является хорошим предиктором энергии дефекта упаковки, даже когда легирующий элемент изменен. Это напрямую поддерживает графики справа. Цинк является более тяжелым элементом и имеет только два валентных электрона, тогда как алюминий легче и имеет три валентных электрона. Таким образом, каждый весовой процент алюминия оказывает гораздо большее влияние на ЭДУ сплава на основе меди, чем цинк.

Влияние энергии дефекта упаковки на деформацию и текстуру

Двумя основными методами деформации металлов являются скольжение и двойникование. Скольжение происходит за счет скольжения винтовой или краевой дислокации в плоскости скольжения. Скольжение - самый распространенный механизм. Двойникование встречается реже, но при некоторых обстоятельствах возникает легко.

Двойникование возникает, когда недостаточно систем скольжения для компенсации деформации и / или когда материал имеет очень низкую ЭПС. Двойники в изобилии присутствуют во многих металлах с низким SFE, таких как медные сплавы, но редко встречаются в металлах с высоким SFE, таких как алюминий.

Чтобы выдерживать большие деформации без разрушения, должно быть не менее пяти независимых и активных систем скольжения. Когда часто возникает поперечное скольжение и соблюдаются некоторые другие критерии, иногда необходимы только три независимые системы скольжения для компенсации больших деформаций.

Из-за различных механизмов деформации материалов с высокой и низкой ЭПЭ они имеют разные текстуры.

Материалы с высокой энергоэффективностью

Материалы с высокой ЭДУ деформируются за счет скольжения полных дислокаций. Поскольку дефектов упаковки нет, винтовые дислокации могут скользить поперек. Смоллмен обнаружил, что поперечное скольжение происходит при низком напряжении для материалов с высокой ЭУ, таких как алюминий (1964). Это придает металлу дополнительную пластичность, потому что при поперечном скольжении требуется только три другие активные системы скольжения, чтобы выдерживать большие деформации. Это верно даже тогда, когда кристалл ориентирован не идеально.

Таким образом, материалы с высокой ЭПР не нуждаются в изменении ориентации, чтобы приспособиться к большим деформациям из-за поперечного скольжения. Некоторая переориентация и развитие текстуры будут происходить по мере движения зерен во время деформации. Большое поперечное скольжение из-за большой деформации также вызывает некоторое вращение зерен. Однако такая переориентация зерен в материалах с высоким SFE гораздо менее распространена, чем в материалах с низким SFE.

Материалы с низким уровнем выбросов SFE

Материалы с низкой ЭУС сдвигаются и создают частичные дислокации. Вместо винтовых дислокаций образуются частички. Существующие винты не могут проскальзывать через дефекты упаковки даже при высоких нагрузках. Пять или более систем скольжения должны быть активными, чтобы возникли большие деформации из-за отсутствия поперечного скольжения. Для обоих направлений <111> и <100> существует шесть и восемь различных систем скольжения соответственно. Если нагрузка не применяется вблизи одного из этих направлений, могут быть активны пять систем скольжения. В этом случае также должны быть задействованы другие механизмы, способные выдерживать большие нагрузки.

Материалы с низкой ЭПС также раздваиваются при деформации. Если деформационное двойникование сочетается с регулярной деформацией сдвига, зерна в конечном итоге выравниваются в сторону более предпочтительной ориентации. Когда много разных зерен выравниваются, создается сильно анизотропная текстура.

Ноты

  1. ^ А. Келли и К. М. Ноулз, Кристаллография и дефекты кристаллов , John Wiley & Sons, Ltd, Чичестер, 2- е изд., 2012, гл. 9. С. 269–304.
  2. ^ a b c d e е Герцберг, Ричард В .; Винчи, Ричард П .; Герцберг, Джейсон Л. (2013). Механика деформирования и разрушения конструкционных материалов . John Wiley & Sons, Inc. стр. 80. ISBN   978-0-470-52780-1 .
  3. ^ Люк Реми. Кандидатская диссертация, Парижский университет, Орсе, Франция, 1975 г.
  4. Перейти ↑ Venables, JA (1964). Электронная микроскопия деформационного двойникования. Журнал физики и химии твердого тела, 25, 685-690.
  5. ↑ Zhao, YH, Liao, YY, Zhu, YT (2005). Влияние энергии дефекта упаковки на наноструктуру при кручении под высоким давлением. Материаловедение и инженерия A, 410-411, 188-193.
  6. ^ Н.В. Рави Кумар и др., Уменьшение зерен в магниевом сплаве AZ91 во время термомеханической обработки , Материалы и инженерия A359 (2003), 150-157.
  7. ^ Лоуренс Э. Мурр. Межфазные явления в металлах и сплавах. Аддисон-Уэсли Паб. Ко., 1975.
  8. ^ Рохатги, А., Веккио, К., Грей, Г., (2001). Влияние энергии дефекта упаковки на механическое поведение Cu и сплава Cu-Al: деформационное двойникование, наклепа и динамическое восстановление. Металлургические операции и операции с материалами A 32A, 135-145.
  9. ↑ Zhao, YH, Liao, YY, Zhu, YT (2005). Влияние энергии дефекта упаковки на наноструктуру при кручении под высоким давлением. Материаловедение и инженерия A, 410-411, 188-193.
  10. ^ Рохатги, А., Веккио, К., Грей, Г., (2001). Влияние энергии дефекта упаковки на механическое поведение Cu и сплава Cu-Al: деформационное двойникование, наклепа и динамическое восстановление. Металлургические операции и операции с материалами A 32A, 135-145.
  11. Перейти ↑ Venables, JA (1964). Электронная микроскопия деформационного двойникования. Журнал физики и химии твердого тела, 25, 685-690.
  12. ^ Johari, О., Томас Г. (1964). Подложки из взрыводеформированных сплавов Cu и CU-Al. Acta Metallurgica 12, (10), 1153-1159.
  13. Перейти ↑ Thornton, PR, Mitchell, TE, Hirsch, PB, (1962). Зависимость поперечного скольжения от энергии дефекта упаковки в металлах и сплавах гранецентрированной кубической формы. Философский журнал, 7, (80), 1349-1369.
  14. Перейти ↑ Venables, JA (1964). Электронная микроскопия деформационного двойникования. Журнал физики и химии твердого тела, 25, 685-690.
  15. Перейти ↑ Thornton, PR, Mitchell, TE, Hirsch, PB, (1962). Зависимость поперечного скольжения от энергии дефекта упаковки в металлах и сплавах гранецентрированной кубической формы. Философский журнал, 7, (80), 1349-1369.
  16. ^ Эль-Danaf, E. (2012). Механические свойства, микроструктура и эволюция микротекстуры для 1050AA, деформированного равноканальным угловым прессованием (РКУП) и сжатием плоской деформации после РКУП с использованием двух схем нагружения. Материалы и дизайн, 34, 793-807.
  17. ^ Рохатги, А., Веккио, К., Грей, Г., (2001). Влияние энергии дефекта упаковки на механическое поведение Cu и сплава Cu-Al: деформационное двойникование, наклепа и динамическое восстановление. Металлургические операции и операции с материалами A 32A, 135-145.
  18. Перейти ↑ Venables, JA (1964). Электронная микроскопия деформационного двойникования. Журнал физики и химии твердого тела, 25, 685-690.
  19. ^ Johari, О., Томас Г. (1964). Подложки из взрыводеформированных сплавов Cu и CU-Al. Acta Metallurgica 12, (10), 1153-1159.
  20. ↑ Zhao, YH, Liao, YY, Zhu, YT, (2005). Влияние энергии дефекта упаковки на формирование наноструктур при кручении под высоким давлением. Материаловедение и инженерия A, 410-411, 188-193.
  21. ^ Дилламор, И., Батлер, Э., Грин, Д. (1968). Вращения кристаллов в условиях наложенной деформации и влияния двойникования и поперечного скольжения. Журнал Metal Science, 2 (1), 161-167.
  22. Перейти ↑ Groves, G., Kelly, A., (1963). Независимые системы скольжения в кристаллах. Философский журнал, 8 (89), 877-887.
  23. ^ Дилламор, И., Батлер, Э., Грин, Д. (1968). Вращения кристаллов в условиях наложенной деформации и влияния двойникования и поперечного скольжения. Журнал Metal Science, 2 (1), 161-167.
  24. Перейти ↑ Groves, G., Kelly, A., (1963). Независимые системы скольжения в кристаллах. Философский журнал, 8 (89), 877-887.
  25. ^ Смоллмен, Р., Грин, Д., (1964). Зависимость текстуры прокатки от энергии дефекта упаковки. Acta Metallurgica, 12 (2), 145-154.
  26. ^ Смоллмен, Р., Грин, Д., (1964). Зависимость текстуры прокатки от энергии дефекта упаковки. Acta Metallurgica, 12 (2), 145-154.
  27. ^ Дилламор, И., Батлер, Э., Грин, Д. (1968). Вращения кристаллов в условиях наложенной деформации и влияния двойникования и поперечного скольжения. Журнал Metal Science, 2 (1), 161-167.
  28. ^ Heye, W., Wassermann, G., (1966). Механическое двойникование в холоднокатаных кристаллах серебра. Physica Status Solidi, 18 (2), K107-K111.