Аномалия предела текучести - Yield strength anomaly

В материаловедение, то аномалия предела текучести относится к материалам, в которых предел текучести (т.е. напряжение, необходимое для начала пластической деформации) увеличивается с температурой.^[1][2][3] Для большинства материалов предел текучести уменьшается с повышением температуры. В металлах это снижение предела текучести связано с термической активацией вывих движение, что приводит к более легкой пластической деформации при более высоких температурах^[4].

В некоторых случаях аномалия предела текучести относится к уменьшению пластичность материала с повышением температуры, что также противоположно тенденции для большинства материалов. Аномалии пластичности могут быть более очевидными, поскольку аномальное влияние на предел текучести может быть скрыто из-за его типичного уменьшения с температурой.^[5]. Наряду с аномалиями предела текучести или пластичности некоторые материалы демонстрируют экстремальные значения других температурно-зависимых свойств, таких как минимум ультразвукового демпфирования или максимум электрическая проводимость^[6].

Аномалия предела текучести в β-латуни была одним из первых открытий такого явления.^[7], и несколько других заказанных интерметаллические сплавы продемонстрировать этот эффект. Осадки затвердели суперсплавы демонстрируют аномалию предела текучести в значительном диапазоне температур. Для этих материалов предел текучести мало отличается от комнатной температуры до нескольких сотен градусов Цельсия. В конце концов достигается максимальный предел текучести. Для еще более высоких температур предел текучести уменьшается и, в конечном итоге, падает до нуля при достижении температура плавления, где твердый материал превращается в жидкость. Для заказанного интерметаллиды, температура пика предела текучести составляет примерно 50% от абсолютной температура плавления.^[8]

Механизмы

Термически активируемое поперечное скольжение

Ряд сплавов с L1₂ структура (например., Ni₃Al, Ni₃Ga, Ni₃Ge, Ni₃Si), показывают аномалии предела текучести^[9]. L1₂ структура является производной от гранецентрированная кубическая Кристальная структура. Для этих сплавов активная система скольжения ниже пика 110⟩ {111}, а для активной системы при более высоких температурах 110⟩ {010}. Механизм упрочнения в этих сплавах - поперечное скольжение винта. вывихи с (111) по (010) кристаллографические плоскости^[10]. Это поперечное скольжение термически активируется, и винтовые дислокации намного менее подвижны в плоскостях (010), поэтому материал упрочняется с повышением температуры, и больше винтовых дислокаций оказывается в плоскости (010). Подобный механизм был предложен для некоторых Би 2 сплавы, имеющие аномалии предела текучести (например., CuZn, FeCo, NiTi, CoHf, CoTi, CoZr)^[8].

Механизм аномалии предела текучести в никелевых сплавах суперсплавы похож^[11]. В этих сплавах винтовые сверхдислокации претерпевают термически активированное поперечное скольжение на плоскости {100} с плоскостей {111}. Это предотвращает движение остальных частей дислокаций по системе скольжения (111) [- 101]. Опять же, с повышением температуры происходит большее поперечное скольжение, поэтому движение дислокаций становится более затрудненным, а предел текучести увеличивается.

Осадки на границе зерна

В суперсплавах, упрочненных металлом карбиды, все более крупные частицы карбида образуются преимущественно на границах зерен, предотвращая зернограничное скольжение при высоких температурах. Это приводит к увеличению предела текучести и, следовательно, к аномалии предела текучести.^[5].

Активное усиление вакансии

Хотя FeAl - это Би 2 В сплаве FeAl наблюдаемая аномалия предела текучести связана с другим механизмом. Если бы механизмом было поперечное скольжение, то аномалия предела текучести зависела бы от скорости, как и ожидалось для термически активированного процесса. Вместо этого аномалия предела текучести зависит от состояния, а это свойство зависит от состояния материала. В результате усиление, активируемое вакансиями, является наиболее распространенным механизмом.^[12] Энергия образования вакансий для FeAl мала, что обеспечивает необычно высокую концентрацию вакансий в FeAl при высоких температурах (2,5% при 1000 ° C для Fe-50Al). В вакансия Образовавшаяся либо в обогащенном алюминием FeAl, либо при нагревании образуется вакансия алюминия.^[13]

При низких температурах около 300 К предел текучести либо уменьшается, либо не изменяется с температурой. При умеренных температурах (0,35-0,45 Тл_м), предел текучести увеличивается с увеличением концентрации вакансий, что является дополнительным доказательством механизма упрочнения, обусловленного вакансиями.^[13][8]Увеличение предела текучести из-за увеличения концентрации вакансий считается результатом закрепления дислокаций вакансиями на плоскости скольжения, что приводит к изгибу дислокаций. Затем, выше температуры пика напряжения, вакансии могут перемещаться, поскольку миграция вакансий облегчается при повышенных температурах. При таких температурах вакансии больше не препятствуют движению дислокаций, а скорее помогают подняться. В модели упрочнения вакансий повышенная прочность ниже температуры пика напряжения аппроксимируется пропорциональной концентрации вакансий на половину, причем концентрация вакансий оценивается с использованием Статистика Максвелла-Больцмана. Таким образом, прочность можно оценить как ${\displaystyle e^{-E_{f}/2k_{B}T}}$, с участием ${\displaystyle E_{f}}$ - энергия образования вакансии, а T - абсолютная температура. Выше температуры пика напряжения для описания прочности может использоваться механизм деформации с помощью диффузии, поскольку вакансии теперь подвижны и способствуют движению дислокаций. Выше пика предел текучести зависит от скорости деформации и, таким образом, максимальный предел текучести зависит от скорости. В результате максимальная температура напряжения увеличивается с увеличением скорости деформации. Обратите внимание, что это отличается от аномалии предела текучести, которая является пределом текучести ниже пика и зависит от скорости. Максимальный предел текучести также зависит от содержания алюминия в сплаве FeAl. По мере увеличения процентного содержания алюминия пик текучести достигается при более низких температурах.^[8]

Аномалия предела текучести в сплавах FeAl может быть скрыта, если термические вакансии не минимизировать путем медленного отжига при относительно низкой температуре (~ 400 ° C в течение ~ 5 дней).^[14]. Кроме того, аномалия предела текучести отсутствует в системах, которые используют очень низкую скорость деформации, поскольку пиковый предел текучести зависит от скорости деформации и, таким образом, может возникать при температурах, слишком низких для наблюдения аномалии предела текучести. Кроме того, поскольку для образования вакансий требуется время, величина максимального предела текучести зависит от того, как долго материал выдерживается при максимальной температуре напряжения. Кроме того, было обнаружено, что максимальный предел текучести не зависит от ориентации кристаллов.^[8]

Были предложены другие механизмы, включая поперечное скольжение механизм аналогичен L1₂, распад дислокации на менее подвижные сегменты при изломах, закреплении дислокации, механизме подъема-блокировки и переходе вектора скольжения. Переход вектора скольжения от <111> к <100>. При максимальной температуре напряжения система скольжения изменяется с <111> на <100>. Считается, что это изменение является результатом того, что скольжение в <111> становится более трудным при повышении температуры из-за механизма трения. Тогда, по сравнению с дислокациями в <100> движение будет легче.^[15] Другой механизм сочетает в себе механизм упрочнения вакансий с дислокационным распадом. Было показано, что FeAl с добавкой третичной добавки, такой как Mn, также демонстрирует аномалию предела текучести. Однако, в отличие от FeAl, максимальный предел текучести или максимальная температура напряжения ${\displaystyle {\ce {Fe2MnAl}}}$ не зависит от скорости деформации и, следовательно, может не следовать механизму упрочнения, активируемого вакансиями. Вместо этого был предложен механизм упрочения порядка.^[8]

Приложения

Турбины и реактивные двигатели

Аномалия предела текучести используется при проектировании газовые турбины и реактивные двигатели которые работают при высоких температурах, где используемые материалы выбираются на основе их максимального выхода и ползать сопротивление. Суперсплавы могут выдерживать высокие температурные нагрузки, выходящие далеко за пределы возможностей стали и других сплавов, и позволяют работать при более высоких температурах, что улучшает эффективность^[16].

Ядерные реакторы

Материалы с аномалиями предела текучести используются в ядерные реакторы благодаря своим высокотемпературным механическим свойствам и хорошим коррозия сопротивление^[5].

использованная литература

1. Liu, J.B .; Johnson, D.D .; Смирнов, А. (24 мая 2005 г.), "Прогнозирование аномалий предела текучести в L1₂ сплавы: Ni₃Ge – Fe₃Псевдобинарные файлы Ge ", Acta Materialia, 53 (13): 3601–3612, Дои:10.1016 / j.actamat.2005.04.011
2. Wua, D .; Бейкер, I .; Munroe, P.R .; Джордж, Э. (Февраль 2007 г.), "Аномалия предела текучести монокристаллов Fe – Al со скользящей ориентацией", Интерметаллиды, 15 (2): 103–107, Дои:10.1016 / j.intermet.2006.03.007
3. Горностырев, Ю. N .; А. Ф. Максютов; О.Ю. Концевой; А. Дж. Фриман; М. И. Кацнельсон; А. В. Трефилов (3 марта 2003 г.), «Температурная аномалия отрицательного напряжения текучести и структурная устойчивость Pt.₃Аль ", Мартовское собрание Американского физического общества, 2003 г., Американское физическое общество, 2003, стр. D17.009, Bibcode:2003APS..MARD17009G
4. Смоллмен, Р. Э. (4 сентября 2013 г.). Современная физическая металлургия. Нган, А. Х. У. (Восьмое изд.). Оксфорд. ISBN  978-0-08-098223-6. OCLC  858948359.
5. Han, F. F .; Чжоу, Б. М .; Хуанг, Х. Ф .; Ленг, В .; Lu, Y. L .; Dong, J. S .; Li, Z. J .; Чжоу, X. Т. (2016-10-01). «Поведение суперсплава GH3535 при растяжении при повышенной температуре». Химия и физика материалов. 182: 22–31. Дои:10.1016 / j.matchemphys.2016.07.001. ISSN  0254-0584.
6. Чу, Чжаокуанг; Ю, Цзиньцзян; Сунь, Сяофэн; Гуань, Хенгронг; Ху, Чжуанци (15.05.2010). «Свойство растяжения и деформационное поведение направленно отвержденного суперсплава на основе никеля». Материаловедение и инженерия: A. 527 (12): 3010–3014. Дои:10.1016 / j.msea.2010.01.051. ISSN  0921-5093.
7. Ardley, G.W .; Коттрелл, Алан Ховард; Мотт, Невилл Фрэнсис (1953-09-22). «Предел текучести кристаллов латуни». Труды Лондонского королевского общества. Серия А. Математические и физические науки.. 219 (1138): 328–340. Bibcode:1953RSPSA.219..328A. Дои:10.1098 / rspa.1953.0150. S2CID  137118204.
8. Джордж, E.P .; Бейкер, И. (1998). «Модель аномалии предела текучести Fe-Al». Философский журнал А. 77 (3): 737–750. Bibcode:1998PMagA..77..737G. Дои:10.1080/01418619808224080.
9. Пайдар, В; Поуп, Д. П; Витек, В (1984-03-01). «Теория аномального поведения текучести в упорядоченных сплавах L12». Acta Metallurgica. 32 (3): 435–448. Дои:10.1016/0001-6160(84)90117-2. ISSN  0001-6160.
10. Thornton, P.H .; Davies, R.G .; Джонстон, Т. Л. (01.01.1970). «Температурная зависимость напряжения течения γ 'фазы на основе Ni3Al». Металлургические операции. 1 (1): 207–218. Дои:10.1007 / BF02819263 (неактивно 2020-10-10). ISSN  1543-1916.
11. Гэн, Пэйджи; Ли, Вэйго; Чжан, Сяньхэ; Дэн, Юн; Коу, Хайбо; Ма, Цзяньцзуо; Шао, Цзясин; Чен, Лиминг; У, Сяочжи (2017-06-05). «Теоретическая модель аномалии предела текучести суперсплавов на основе никеля при повышенной температуре». Журнал сплавов и соединений. 706: 340–343. Дои:10.1016 / j.jallcom.2017.02.262. ISSN  0925-8388.
12. Morris, D.G .; Муньос-Моррис, М.А. (01.07.2010). «Пересмотр механизмов закрепления, ответственных за аномалию напряжения в интерметаллидах FeAl». FEAL 2009 - 5-я дискуссионная встреча по разработке инновационных железо-алюминиевых сплавов. 18 (7): 1279–1284. Дои:10.1016 / j.intermet.2009.12.021. ISSN  0966-9795.
13. Jordan, J.L .; Деви, С.С. (01.06.2003). «Образование и эффекты вакансий в FeAl». Интерметаллиды. 11 (6): 507–528. Дои:10.1016 / S0966-9795 (03) 00027-X. ISSN  0966-9795.
14. Карлтон, Р.; Джордж, Э. П .; Зи, Р. Х. (1 января 1995 г.). «Влияние отклонений от стехиометрии на аномалию прочности и поведение разрушения FeAl, легированного B». Интерметаллиды. 3 (6): 433–441. Дои:10.1016 / 0966-9795 (94) 00041-I. ISSN  0966-9795.
15. Премкумар, М .; Сингх, А. (01.07.2011). «Аномалия прочности фазы B2 в сплаве Ti – 25Al – 25Zr». Интерметаллиды. 19 (7): 1085–1088. Дои:10.1016 / j.intermet.2011.03.010. ISSN  0966-9795.
16. Шэн Ли-юань; Ян, Клык; Го, Цзянь-тин; Си, Тин-фэй (01.03.2014). «Аномальная текучесть и хрупкость при промежуточных температурах для направленно отвержденного суперсплава на основе никеля». Сделки Общества цветных металлов Китая. 24 (3): 673–681. Дои:10.1016 / S1003-6326 (14) 63110-1. ISSN  1003-6326.