Ползучесть дислокации - Dislocation creep

Ползучесть дислокации это механизм деформации в кристаллические материалы. Ползучесть дислокации включает в себя движение вывихи сквозь кристаллическая решетка материала, в отличие от диффузионная ползучесть, в которой диффузия (вакансий) является доминирующим механизмом ползучести. Это вызывает Пластическая деформация отдельных кристаллы, а значит, и сам материал.

Ползучесть дислокаций очень чувствительна к дифференциальное напряжение по материалу. При низких температурах это основной механизм деформации в большинстве кристаллических материалов.^[1] Некоторые из описанных ниже механизмов являются умозрительными и либо не могут быть проверены, либо не подтверждены экспериментальным микроструктурным наблюдением.^[2]

Принципы

Схематическое изображение краевая дислокация в кристаллической решетке. Желтый самолет - это планер, то вектор ты представляет дислокацию, б это Вектор гамбургеров. Когда дислокация движется через кристалл слева направо, нижняя половина кристалла переместилась на один вектор Бюргерса влево относительно верхней половины.

Схематическое изображение винтовая дислокация в кристаллической решетке. Желтая плоскость (Σ) снова является плоскостью скольжения, ты вывих и б вектор Бюргерса. Когда дислокация перемещается от задней части кристалла к передней, нижняя половина перемещается на длину вектора Бюргерса вперед относительно верхней половины.

Дислокации в кристаллах

Ползучесть дислокаций происходит из-за движения вывихи через кристаллическую решетку. Каждый раз, когда дислокация движется через кристалл, часть кристалла сдвигается на единицу. точка решетки по плоскости относительно остального кристалла. Плоскость, разделяющая сдвинутые и несмещенные области, вдоль которой происходит движение, является соскальзывать самолет. Чтобы учесть это движение, все ионные связи по плоскости надо ломать. Если бы все связи были разорваны одновременно, для этого потребовалось бы столько энергии, что ползучесть дислокаций была бы возможна только теоретически. Когда предполагается, что движение происходит шаг за шагом, разрыв связей немедленно сопровождается созданием новых, и требуемая энергия намного меньше. Расчеты молекулярной динамики и анализ деформируемых материалов показали, что деформационная ползучесть может быть важным фактором в процессах деформации.

Путем пошагового перемещения дислокации через кристаллическую решетку линейный дефект решетки создается между частями кристаллической решетки.^[3] Существуют два типа дислокаций: краевые и винтовые. Краевые дислокации образуют край дополнительного слоя атомов внутри кристаллической решетки. Винтовые вывихи образуют линию, по которой кристаллическая решетка перескакивает на одну точку решетки. В обоих случаях линия дислокации образует линейный дефект через кристаллическую решетку, но кристалл все еще может быть идеальным со всех сторон линии.

Длина смещения в кристалле, вызванного движением дислокации, называется длиной Вектор гамбургеров. Он равен расстоянию между двумя атомами или ионами в кристаллической решетке. Следовательно, каждый материал имеет свои характерные векторы Бюргерса для каждой плоскости скольжения.

Самолеты скольжения в кристаллах

Как краевые, так и винтовые дислокации движутся (проскальзывают) в направлениях, параллельных их Вектор гамбургеров. Краевые дислокации движутся в направлениях, перпендикулярных их дислокационным линиям, а винтовые дислокации движутся в направлениях, параллельных своим дислокационным линиям. Это заставляет часть кристалла смещаться относительно других его частей. При этом сама дислокация движется дальше по плоскости скольжения. В кристаллическая система материала (минеральная или же металл ) определяет, сколько плоскостей скольжения возможно и в каких ориентациях. Ориентация дифференциального напряжения определяет, какие плоскости скольжения активны, а какие нет. В Критерий фон Мизеса утверждает, что для деформации материала требуется движение по крайней мере по пяти различным плоскостям скольжения. Дислокация не всегда будет прямой линией и поэтому может двигаться более чем по одной плоскости скольжения. Когда ориентация линии дислокации изменяется, винтовая дислокация может продолжаться как краевая дислокация, и наоборот.

Происхождение вывихов

Когда кристаллический материал подвергается дифференциальному напряжению, на границах зерен образуются дислокации, которые начинают движение через кристалл.

Новые дислокации также могут образовываться из Франк – Прочтите источники. Они образуются при остановке вывиха в двух местах. Часть дислокации между ними будет двигаться вперед, вызывая искривление линии дислокации. Это изгибание может продолжаться до тех пор, пока дислокация не изогнется, образуя круг. В центре круга источник создаст новую дислокацию, и этот процесс создаст последовательность концентрических дислокаций, расположенных друг над другом. Источники Франка – Рида также создаются при двойном поперечном скольжении винтовых дислокаций (дважды меняют плоскости скольжения), поскольку пробежки в линию дислокации закрепите дислокацию в 3-ей плоскости.

Движение вывиха

Скольжение дислокации

В идеале дислокация может двигаться через кристалл, пока не достигнет граница зерна (граница между двумя кристаллами). Когда он достигнет границы зерна, дислокация исчезнет. В этом случае весь кристалл стрижен маленький (нужна ссылка). Однако существуют разные способы замедления или остановки движения вывиха. Когда дислокация движется по нескольким различным плоскостям скольжения, она может иметь разные скорости в этих разных плоскостях из-за анизотропия некоторых материалов. На своем пути дислокации также могут встречаться с другими дефектами кристалла, такими как другие дислокации или точечные дефекты. В таких случаях часть вывиха могла замедлиться или вообще перестать двигаться.

В дизайне сплавов этот эффект используется в значительной степени. При добавлении несходного атома или фазы, например небольшого количества углерод к утюг, это закаленный, то есть деформировать материал будет труднее (материал станет прочнее). Атомы углерода действуют как межстраничный частицы (точечные дефекты) в кристаллической решетке железа, а дислокации не смогут двигаться так же легко, как раньше.

Восхождение на вывих и восстановление

Дислокации - это дефекты кристаллической решетки, возникающие из термодинамический с точки зрения увеличения количества свободная энергия в система. Следовательно, части кристалла с большим количеством дислокаций будут относительно нестабильными. При перекристаллизации кристалл может самовосстанавливаться. Восстановление кристаллической структуры также может происходить при встрече двух дислокаций с противоположным смещением.

Дислокация, которая была остановлена ​​препятствием (точечный дефект), может преодолеть препятствие и снова начать движение с помощью процесса, называемого лазание по вывиху. Чтобы произошел подъем дислокации, свободные места должны иметь возможность перемещаться через кристалл. Когда вакансия попадает в место застревания дислокации, она может вылезти из плоскости скольжения, после чего точечный дефект больше не будет стоять на ее пути. Следовательно, переползание дислокации зависит от скорости вакансии. распространение. Как и во всех диффузионных процессах, это сильно зависит от температуры. При более высоких температурах дислокации легче преодолевают препятствия. По этой причине многие затвердевшие материалы становятся экспоненциально слабее при более высоких температурах.

Чтобы уменьшить свободную энергию в системе, дислокации имеют тенденцию концентрироваться в областях с низкой энергией, поэтому другие области будут свободны от дислокаций. Это приводит к образованию «дислокационных стенок» или плоскостей в кристалле, где дислокации локализуются. Форма краевых дислокаций наклонные стены,^[4] при этом образуются винтовые дислокации скрученные стены. В обоих случаях увеличивающаяся локализация дислокаций в стенке увеличит угол между ориентацией кристаллической решетки по обе стороны от стенки. Это приводит к образованию субзерна. Процесс называется субзерен вращение (SGR) и может в конечном итоге привести к образованию новых зерен, когда дислокационная стенка становится новой границей зерен.

Кинетика

В общем, степенной закон для этапа 2 слизняк является:
${\displaystyle {\dot {\epsilon }}=A\sigma ^{m}\exp({\frac {-Q_{c}}{RT}})}$

куда ${\displaystyle m}$ - показатель напряжения и ${\displaystyle Q_{c}}$ - энергия активации ползучести, ${\displaystyle R}$ - постоянная идеального газа, ${\displaystyle T}$ это температура, и ${\displaystyle A}$ - константа, зависящая от механизма.

Показатель ${\displaystyle m}$ описывает степень зависимости механизма ползучести от напряжения. Диффузионная ползучесть проявляет ${\displaystyle m}$ от 1 до 2, ползучесть с контролируемым набором высоты и ${\displaystyle m}$ от 3 до 5, а ползучесть с управляемым скольжением и ${\displaystyle m}$ от 5 до 7.

Скольжение дислокации

Схема внутренней энергии дислокации, проходящей через препятствие, когда (а) дополнительная работа не обеспечивается и когда (б) работа обеспечивается приложенным напряжением и тепловой энергией

Скорость скольжения дислокации может быть определена с помощью Уравнение Аррениуса для скорости движения дислокации. Форвардный курс можно записать как:

${\displaystyle {\dot {\varepsilon }}_{forward}\varpropto \exp({\frac {-(U_{0}-\delta U)}{kT}})}$

куда ${\displaystyle U_{0}}$ - энергия барьера и ${\displaystyle \delta U}$ это работа, создаваемая приложенным напряжением и тепловой энергией, которая помогает дислокации пересечь барьер. ${\displaystyle k}$- постоянная Больцмана и ${\displaystyle T}$это температура системы.

Аналогично обратный курс:

${\displaystyle {\dot {\varepsilon }}_{back}\varpropto \exp({\frac {-U_{0}}{kT}})}$

Общая скорость ползучести следующая:

${\displaystyle {\dot {\varepsilon }}_{total}\varpropto {\dot {\varepsilon }}_{forward}+{\dot {\varepsilon }}_{back}}$

Таким образом, скорость ползучести из-за скольжения дислокации составляет:

${\displaystyle {\dot {\varepsilon }}_{DG}=\varepsilon _{0}*\exp({\frac {-U_{0}}{kT}})*[-1+\exp({\frac {\delta U}{kT}})]\approx \exp({\frac {\delta U}{kT}})}$

При низких температурах это выражение становится:

${\displaystyle {\dot {\varepsilon }}_{DG}=\varepsilon _{0}*\exp({\frac {-U_{0}}{kT}})*\exp({\frac {\delta U}{kT}})}$

Энергия, подводимая к дислокации:

${\displaystyle \delta U=\tau ba_{s}}$

куда ${\displaystyle \tau }$ приложенное напряжение, ${\displaystyle b}$ вектор Бюргерса, а ${\displaystyle a_{s}}$- площадь плоскости скольжения.

Таким образом, общее выражение для скорости скольжения дислокации можно переписать как:

${\displaystyle {\dot {\varepsilon }}_{DG}=\varepsilon _{0}*\exp({\frac {-U_{0}}{kT}})*[-1+\exp({\frac {\tau ba_{s}}{kT}})]}$

Таким образом, числитель ${\displaystyle \tau ba_{s}}$ энергия, исходящая от напряжения, и знаменатель ${\displaystyle kT}$это тепловая энергия.^[2] Это выражение получено из модели, согласно которой пластическая деформация не является результатом атомной диффузии.^[2]

Скорость ползучести определяется собственной энергией активации (${\displaystyle U_{0}}$ ) и отношение напряженной энергии (${\displaystyle \tau ba_{s}}$) к тепловой энергии (${\displaystyle kT}$ ). Скорость ползучести увеличивается по мере увеличения этого отношения или когда энергия, вызванная напряжением, увеличивается больше, чем тепловая энергия. Все выражения скорости ползучести имеют похожие термины, но сила зависимости (т. Е. ${\displaystyle m}$ показатель степени) от внутренней энергии активации или энергии, вызванной напряжением, зависит от механизма ползучести.

Ползучесть дислокациями и диффузионным потоком.

Механизмы ползучести, которые включают как ползучесть дислокаций, так и диффузионную ползучесть, включают ползучесть с увлечением растворенным веществом, ползучесть с переползанием дислокаций и ползучесть по Харпер-Дорну.

Ползучесть растворенного вещества

Ползучесть растворенного вещества с увлечением характеризуется зазубренным течением. ^[2] и обычно наблюдается в металлических сплавах, которые не проявляют кратковременной ползучести - скорость ползучести этих материалов увеличивается во время переходной ползучести до достижения установившегося состояния.^[2]

Подобно упрочнению твердого раствора, параметр несоответствия размеров растворенных атомов и дислокаций приводит к ограничению движения дислокаций. При низких температурах у растворенных атомов недостаточно энергии для движения. Однако при более высоких температурах растворенные атомы становятся подвижными и способствуют ползучести.

Ползучесть с увлечением растворенного вещества происходит, когда дислокация отрывается от растворенного атома, после чего растворенный атом "догоняет" дислокацию. Изначально дислокации закрепляются на месте растворенными атомами. После некоторого начального ввода энергии дислокация отрывается и начинает двигаться со скоростью ${\displaystyle v}$. Эта скорость деформации, ${\displaystyle {\dot {\epsilon }}}$ является :

${\displaystyle {\dot {\epsilon }}=\rho b{\bar {v}}}$

куда ${\displaystyle \rho }$ - плотность дислокаций, ${\displaystyle b}$ вектор гамбургеров, и ${\displaystyle {\bar {v}}}$ - средняя скорость дислокации.

Когда скорость дислокации не слишком высока (или скорость ползучести не слишком высока), растворенный атом может следовать за дислокациями и, таким образом, вносить «сопротивление» в движение дислокации. Высокий коэффициент диффузии уменьшает сопротивление, а более высокие параметры несоответствия приводят к большей энергии связи между растворенным атомом и дислокацией, что приводит к увеличению сопротивления. Наконец, увеличение концентрации растворенного вещества увеличивает эффект сопротивления. Таким образом, скорость можно описать следующим образом:

${\displaystyle v={\frac {D_{solute}\sigma }{\epsilon _{b}^{2}c_{0}}}}$

куда ${\displaystyle \epsilon _{b}}$- параметр несоответствия размера и ${\displaystyle c_{0}}$ это концентрация растворенного вещества.^[2]

По мере приложения напряжения скорость дислокации увеличивается до тех пор, пока дислокация не отрывается от растворенных атомов. Затем напряжение начинает уменьшаться по мере отрыва дислокации, поэтому скорость дислокации уменьшается. Это позволяет атомам растворенного вещества догнать дислокацию, тем самым еще раз увеличивая напряжение. Затем напряжение увеличивается, и цикл начинается снова, что приводит к появлению зубцов, наблюдаемых на диаграмме напряжение-деформация. Это явление Эффект Портвена-Ле-Шателье и наблюдается только в условиях ограниченной скорости деформации. Если скорость деформации достаточно высока, напряжение течения больше, чем напряжение отрыва, и дислокация продолжает двигаться, и растворенный атом не может «догнать», поэтому зазубренный поток не наблюдается.

Схематическая кривая напряжения-деформации материала, демонстрирующего зазубренный поток. Локальные максимумы напряжения возникают из-за напряжения, необходимого для отрыва дислокации от закрепляющих их атомов растворенного вещества. Минимумы локальных напряжений обусловлены напряжением, необходимым для перемещения дислокации без сопротивления. Они связаны между собой растворенными атомами, которые захватывают движущиеся дислокации посредством процесса, описанного выше, что приводит к повторяющемуся движению от локальных максимумов напряжения к локальным минимумам напряжений.^[2]

Различные типы зубцов в зависимости от величины напряжения отрыва и напряжения течения

Также известно, что ${\displaystyle \rho \varpropto \sigma ^{2}}$, что подразумевает размножение дислокаций (увеличение напряжения увеличивает плотность дислокаций). Таким образом, скорость ползучести растворенного вещества может быть переписана как:

${\displaystyle {\dot {\epsilon }}_{SD}\varpropto {\frac {D_{sol}\sigma ^{3}}{\epsilon _{b}^{2}c_{0}}}}$

где отмечено, что коэффициент диффузии является функцией температуры. Это выражение напоминает приведенный выше степенной закон для ползучести с показателем ${\displaystyle m=3}$.

Дислокация Climb-Glide Creep

Ползучесть с подъемом-скольжением дислокаций наблюдается в материалах, которые демонстрируют более высокую начальную скорость ползучести, чем скорость стационарной ползучести.^[2]

Дислокации скользят по плоскости скольжения, пока не достигнут препятствия. Приложенного напряжения недостаточно, чтобы дислокация преодолела препятствие, но достаточно, чтобы дислокация поднялась на параллельную плоскость скольжения посредством диффузии. Это концептуально похоже на высокотемпературный поперечное скольжение, где дислокации обходят препятствия путем набора высоты при низких температурах. Движение дислокации включает подъем и скольжение, отсюда и название ползучесть с подъемом и скольжением.

Скорость определяется более медленными (более низкими скоростями) процессов набора высоты и планирования, таким образом, скорость медленного передвижения часто определяется скоростью набора высоты.

Исходя из общей формы скорости деформации:

${\displaystyle {\dot {\epsilon }}=\rho b\nu _{g}}$

куда ${\displaystyle \rho }$ - плотность дислокаций и ${\displaystyle \nu _{g}}$ - скорость скольжения дислокации. Скорость скольжения дислокации больше, чем скорость переползания дислокации, ${\displaystyle \nu _{c}}$. Набор высоты и планирование связаны этим выражением:

${\displaystyle \nu _{g}=({\frac {L}{h}})\nu _{c}}$ куда ${\displaystyle L>h}$

${\displaystyle L}$ - расстояние, на которое дислокации скользят в плоскости скольжения, и ${\displaystyle h}$- расстояние между параллельными плоскостями скольжения.

Рассматривая модель, в которой дислокации испускаются источником, чтобы поддерживать постоянную эволюцию микроструктуры от стадии I до стадии ползучести II, каждый источник связан с постоянным количеством дислокационных петель, которые он испускает. Таким образом, дислокации могут продолжать испускаться, только если некоторые из них будут уничтожены. Аннигиляция возможна через подъем, что приводит к переносу массы между сторонами петли (то есть либо удаление вакансий, что приводит к добавлению атомов, либо наоборот).^[2]

Предполагая, что есть ${\displaystyle M}$источников дислокаций в единице объема, дислокацию можно переписать в терминах среднего диаметра петли ${\displaystyle L}$, скорость набора высоты-глиссады составляет:

${\displaystyle {\dot {\epsilon }}_{CG}\varpropto {\frac {ML^{3}}{h^{2}}}\nu _{c}}$

Поскольку микроструктура должна оставаться фиксированной для перехода между этими стадиями, ${\displaystyle M}$остается фиксированным. Таким образом, его можно умножить на объем каждого источника и оставить неизменным, таким образом ${\displaystyle L\cong (Mh)^{-1/2}}$. Выражение для скорости ползучести с набором высоты сводится к:

${\displaystyle {\dot {\epsilon }}\varpropto {\frac {\nu _{c}}{h^{3.5}M^{1/2}}}}$

Поскольку подъем дислокации вызывается стрессом, но достигается за счет диффузии, мы можем сказать ${\displaystyle \nu _{c}\varpropto D_{L}\sigma }$ куда ${\displaystyle D_{L}}$- постоянная решеточной диффузии. ${\displaystyle \sigma }$можно выразить в нормализованной форме, ${\displaystyle {\frac {\sigma \Omega }{kT}}}$, куда ${\displaystyle \Omega }$- атомный объем.

Таким образом, скорость подъема-скольжения дислокации может быть выражена следующим образом:

${\displaystyle {\dot {\epsilon }}_{CG}=A_{CG}({\frac {D_{L}}{h^{3.5}M^{1/2}}})({\frac {\sigma \Omega }{kT}})}$

куда ${\displaystyle A_{CG}}$ - константа, которая включает детали геометрии контура.^[2] При более высоких уровнях напряжения наблюдается более тонкая микроструктура, которая коррелирует с обратной зависимостью между ${\displaystyle \sigma _{s}}$ и ${\displaystyle h}$. Если ${\displaystyle M}$ не зависит от напряжения, которое еще не показано, показатель степени ${\displaystyle m}$ для этой дислокации ползучесть составляет 4,5.^[2]

Харпер-Дорн Крип

Крип Харпер – Дорн представляет собой замедленный механизм с регулируемым набором высоты. При низких напряжениях материалы с низкой начальной плотностью дислокаций могут ползти только за счет подъема дислокаций. Ползучесть по Харбер-Дорну характеризуется линейной стационарной зависимостью скорости деформации от напряжения при постоянной температуре и независимо от размера зерна и энергий активации, которые обычно близки к ожидаемым для решеточной диффузии.^[5] Скорость ползучести Харбер-Дорна можно описать следующим образом:

${\displaystyle {\dot {\epsilon }}\varpropto \rho _{0}{\frac {DGb^{3}}{kT}}({\frac {\sigma _{s}}{G}})}$

куда ${\displaystyle {\dot {\epsilon }}}$ скорость ползучести, ${\displaystyle \rho _{0}}$- плотность дислокаций, ${\displaystyle D}$- коэффициент диффузии материала, ${\displaystyle G}$- модуль сдвига, ${\displaystyle b}$ вектор гамбургеров, ${\displaystyle k}$- постоянная Больцмана, ${\displaystyle T}$ это температура, а ${\displaystyle \sigma _{s}}$ приложенное напряжение. При ползучести Харпер-Дорна плотность дислокаций постоянна.^[6]

Смотрите также

• Слизняк
• Диффузионная ползучесть
• Вывихи

Примечания

1. Твисс и Мур (2000), стр. 396
2. Кортни, Томас Х. (2000). Механическое поведение материалов (2-е изд.). Бостон: Макгроу Хилл. ISBN  0070285942. OCLC  41932585.
3. Twiss & Moores (2000), стр. 395–396.
4. Пуарье (1976)
5. Кумар, Правин, Майкл Э. Касснер и Теренс Г. Лэнгдон. «Пятьдесят лет ползучести Харпера – Дорна: жизнеспособный механизм ползучести или калифорнийский артефакт?». Журнал материаловедения 42.2 (2007): 409–420.
6. Mohamed, F.A .; Murty, K. L .; Моррис, Дж. У. (1973-04-01). «Харпер-дорн ползучий в al, pb и sn». Металлургические операции. 4 (4): 935–940. Bibcode:1973МТ ...... 4..935М. Дои:10.1007 / BF02645593. ISSN  1543-1916.

Литература

• Пуарье, Дж.; 1976: Пластификатор высокой температуры твердых кристаллов, Eyrolles, Париж.
• Твисс, Р.Дж. И Мурс, Э., 2000: Структурная геология, W.H. Freeman & Co (6-е изд.), ISBN  0-7167-2252-6