Энергия дефекта укладки - Stacking-fault energy

В энергия дефекта упаковки (SFE) - это свойство материалов в очень маленьком масштабе. Обозначается как γЛесхоз в единицах энергии на площадь.

А ошибка укладки является прерыванием нормальной последовательности укладки атомных плоскостей в плотноупакованный Кристальная структура. Эти прерывания несут определенную энергию дефекта упаковки. Ширина дефекта упаковки является следствием баланса между силой отталкивания двух частичных вывихи с одной стороны, и сила притяжения за счет поверхностное натяжение 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 имеют более широкие дефекты упаковки и имеют больше проблем с поперечным скольжением. SFE изменяет способность дислокации в кристалл заскользить на пересечение самолет скольжения. При низком ЭДУ подвижность дислокаций в материале уменьшается.[1]

МатериалЛатуньНержавеющая стальAg (Серебро )AuSi (Кремний )Ni (Никель )Cu (Медь )Mg (Магний )Al (Алюминий )
Лесхоз (мДж м−2)<10[2]<10[2]25[2]75[2]>4290 [2][3]70[4] -78[5]125 [6]160-250 [7][2]

Неисправности упаковки и энергия ошибок упаковки

А ошибка укладки представляет собой нерегулярность в плоской последовательности укладки атомов в кристалле - в FCC-металлах нормальная последовательность укладки - это ABCABC и т. д., но если появляется дефект упаковки, он может вносить такую ​​нерегулярность, как ABCBCABC, в нормальную последовательность укладки. Эти неоднородности несут определенную энергию, которая называется энергией дефекта упаковки.

Влияние на энергию дефекта упаковки

График того, как SFE быстро уменьшается с цинк содержание сплава. Данные взяты из.[8][9]
График того, как SFE быстро уменьшается с алюминий содержание сплава. Данные взяты из.[10][11][12]

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.[13]

Влияние легирующих элементов на лесхоз

Давно установлено, что добавление легирующих элементов значительно снижает ЭДУ большинства металлов.[14] 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[15] показал 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 изменяется. 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 происходит, 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.[16][17][18][19][20]

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.[21][22]

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

Материалы с высокой энергоэффективностью

Материалы с высокой ЭДС 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, например алюминия (1964). Это придает металлу дополнительную пластичность, потому что при поперечном скольжении требуется только три другие активные системы скольжения, чтобы выдерживать большие деформации.[23][24] 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.[25] Однако такая переориентация зерен в материалах с высоким SFE гораздо менее распространена, чем в материалах с низким SFE.

Материалы с низким 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.[26] 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.[27][28] Когда много разных зерен выравниваются, создается сильно анизотропная текстура.

Примечания

  1. ^ А. Келли и К. М. Ноулз, Кристаллография и дефекты кристаллов, John Wiley & Sons, Ltd, Чичестер, 2nd изд., 2012, гл. 9. С. 269–304.
  2. ^ а б c d е ж Герцберг, Ричард В .; Винчи, Ричард П .; Герцберг, Джейсон Л. (2013). Механика деформирования и разрушения технических 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. ^ Венейблс, Дж. А. (1964). Электронная микроскопия деформационного двойникования. Журнал физики и химии твердого тела, 25, 685-690.
  5. ^ Чжао, Ю.Х., Ляо, Ю.Ю., Чжу, Ю.Т. (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., Измельчение зерна магниевого сплава AZ91 при термомеханической обработке, Материалы и инженерия А359 (2003), 150-157.
  7. ^ Лоуренс Э. Мурр. Межфазные явления в металлах и сплавах. Аддисон-Уэсли Паб. Ко., 1975.
  8. ^ Рохатги, А., Веккьо, К., Грей, Г. (2001). Влияние энергии дефекта упаковки на механическое поведение Cu и сплава Cu-Al: деформационное двойникование, наклеп и динамическое восстановление. Металлургические операции и операции с материалами A 32A, 135-145.
  9. ^ Чжао, Ю.Х., Ляо, Ю.Ю., Чжу, Ю.Т. (2005). Влияние энергии дефекта упаковки на наноструктуру при кручении под высоким давлением. Материаловедение и инженерия A, 410-411, 188-193.
  10. ^ Рохатги, А., Веккьо, К., Грей, Г. (2001). Влияние энергии дефекта упаковки на механическое поведение Cu и сплава Cu-Al: деформационное двойникование, наклеп и динамическое восстановление. Металлургические операции и операции с материалами A 32A, 135-145.
  11. ^ Венейблс, Дж. А. (1964). Электронная микроскопия деформационного двойникования. Журнал физики и химии твердого тела, 25, 685-690.
  12. ^ Джохари О., Томас Г. (1964). Подложки из взрыво-деформированных сплавов Cu и CU-Al. Acta Metallurgica 12, (10), 1153-1159.
  13. ^ Торнтон П. Р., Митчелл Т. Э., Хирш П. Б. (1962). Зависимость поперечного скольжения от энергии дефекта упаковки в металлах и сплавах гранецентрированной кубической формы. Философский журнал, 7, (80), 1349-1369.
  14. ^ Венейблс, Дж. А. (1964). Электронная микроскопия деформационного двойникования. Журнал физики и химии твердого тела, 25, 685-690.
  15. ^ Торнтон П. Р., Митчелл Т. Е., Хирш П. Б. (1962). Зависимость поперечного скольжения от энергии дефекта упаковки в металлах и сплавах гранецентрированной кубической формы. Философский журнал, 7, (80), 1349-1369.
  16. ^ Эль-Данаф, Э., (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., Веккьо, К., Грей, Г. (2001). Влияние энергии дефекта упаковки на механическое поведение Cu и сплава Cu-Al: деформационное двойникование, наклеп и динамическое восстановление. Металлургические операции и операции с материалами A 32A, 135-145.
  18. ^ Венейблс, Дж. А. (1964). Электронная микроскопия деформационного двойникования. Журнал физики и химии твердого тела, 25, 685-690.
  19. ^ Джохари О., Томас Г. (1964). Подложки из взрыво-деформированных сплавов Cu и CU-Al. Acta Metallurgica 12, (10), 1153-1159.
  20. ^ Чжао, Ю.Х., Ляо, Ю.Ю., Чжу, Ю.Т. (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. Metal Science Journal, 2 (1), 161-167.
  22. ^ Гровс, Г., Келли, А. (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. Metal Science Journal, 2 (1), 161-167.
  24. ^ Гровс, Г., Келли, А. (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. Metal Science Journal, 2 (1), 161-167.
  28. ^ Хей, В., Вассерманн, Г. (1966). Механическое двойникование в холоднокатаных кристаллах серебра. Physica Status Solidi, 18 (2), K107-K111.