Атмосфера Коттрелла

Концепция в материаловедении

Атом углерода под дислокацией в железе, образующий атмосферу Коттрелла

В материаловедении понятие атмосферы Коттрелла было введено А. Х. Коттреллом и Б. А. Билби в 1949 году ^[1] для объяснения того, как дислокации закрепляются в некоторых металлах с помощью интерстициальных атомов бора , углерода или азота .

Атмосфера Коттрелла встречается в объемно-центрированных кубических (ОЦК) и гранецентрированных кубических (ГЦК) материалах, таких как железо или никель, с небольшими примесными атомами, такими как бор, ^[2] углерод, ^[3] или азот. ^{[ требуется ссылка ]} Поскольку эти межузельные атомы слегка искажают решетку, будет существовать связанное с ними поле остаточного напряжения, окружающее межузельный атом. Это поле напряжения может быть ослаблено путем диффузии межузельного атома к дислокации ^{[ требуется ссылка ]} , которая содержит небольшой зазор в своем ядре (так как это более открытая структура), см. Рисунок 1. После того, как атом диффундирует в ядро ​​дислокации, атом останется там. Обычно на плоскость решетки дислокации требуется только один межузельный атом. ^{[ требуется ссылка ]} Совокупность растворенных атомов вокруг ядра дислокации из-за этого процесса является атмосферой Коттрелла.

Влияние на механическое поведение

Дислокация, движущаяся в атмосфере Коттрелла вокруг себя. При высоких напряжениях (вверху) дислокация может «освободиться» от атмосферы, тогда как при низких напряжениях (внизу) дислокация должна тащить за собой растворенные вещества, и движение происходит гораздо медленнее.

Сбор растворенных атомов на дислокации снимает напряжения, связанные с дислокацией, что снижает энергию присутствия дислокации. Таким образом, перемещение дислокации из этой атмосферы Коттрелла представляет собой увеличение энергии, поэтому дислокации невыгодно двигаться вперед в кристалле. В результате дислокация эффективно удерживается атмосферой Коттрелла.

После того, как дислокация закреплена, требуется большая сила, чтобы открепить дислокацию до текучести, поэтому при комнатной температуре дислокация не открепится. ^[4] Это создает наблюдаемый верхний предел текучести на графике напряжения-деформации . За пределами верхнего предела текучести закрепленная дислокация будет действовать как источник Франка-Рида для генерации новых дислокаций, которые не закреплены. Эти дислокации могут свободно перемещаться в кристалле, что приводит к последующему более низкому пределу текучести, и материал будет деформироваться более пластично.

Старение образца путем выдерживания его при комнатной температуре в течение нескольких часов позволяет атомам углерода повторно диффундировать обратно в ядра дислокаций, что приводит к возвращению верхнего предела текучести.

Атмосфера Коттрелла приводит к образованию полос Людерса и большим силам для глубокой вытяжки и формовки больших листов, что делает их помехой для производства. Некоторые стали разработаны для устранения эффекта атмосферы Коттрелла путем удаления всех междоузельных атомов. Такие стали, как междоузельная свободная сталь, обезуглероживаются , и для удаления азота добавляются небольшие количества титана .

Атмосфера Коттрелла также имеет важные последствия для поведения материала при высоких гомологических температурах , т. е. когда материал испытывает условия ползучести . Перемещение дислокации с ассоциированной атмосферой Коттрелла вводит вязкое сопротивление , эффективную силу трения, которая затрудняет перемещение дислокации ^[5] (и, таким образом, замедляет пластическую деформацию). Эта сила сопротивления может быть выражена в соответствии с уравнением:

${\displaystyle F_{drag}={\frac {kT\Omega }{vD_{sol}}}\int {\frac {J\centerdot J}{c}}dA}$,

где — коэффициент диффузии атома растворенного вещества в исходном материале, — атомный объем, — скорость дислокации, — плотность диффузионного потока, — концентрация растворенного вещества. ^[5] Было доказано, что существование атмосферы Коттрелла и эффекты вязкого сопротивления важны при высокотемпературной деформации при промежуточных напряжениях, а также способствуют режиму распада по степенному закону. ^[6] ${\displaystyle D_{sol}}$ ${\displaystyle \Omega }$ ${\displaystyle v}$ ${\displaystyle J}$ ${\displaystyle c}$

Подобные явления

Хотя атмосфера Коттрелла является общим эффектом, существуют дополнительные связанные с ней механизмы, которые возникают в более специфических обстоятельствах.

Эффект Сузуки

Эффект Сузуки характеризуется сегрегацией растворенных веществ в дефекты упаковки. Когда дислокации в системе FCC разделяются на две частичные дислокации, между двумя частичными дислокациями образуется гексагональный плотноупакованный (HCP) дефект упаковки. Х. Сузуки предсказал, что концентрация растворенных атомов на этой границе будет отличаться от основной массы. Следовательно, перемещение через это поле растворенных атомов приведет к такому же торможению дислокаций, как и атмосфера Коттрелла. ^[7] Позднее Сузуки наблюдал такую ​​сегрегацию в 1961 году . ^[8]  Эффект Сузуки часто связывают с адсорбцией замещающих растворенных атомов в дефект упаковки, но также было обнаружено, что он происходит с межузельными атомами, диффундирующими из дефекта упаковки. ^[9]

После того, как две частичные дислокации разделились, они больше не могут перекрестно скользить вокруг препятствий. Так же, как атмосфера Коттрелла обеспечивала силу против движения дислокации, эффект Сузуки в дефекте упаковки приведет к увеличению напряжений для рекомбинации частичных дислокаций, что приведет к увеличению трудностей в обходе препятствий (таких как осадки или частицы) и, следовательно, к получению более прочного материала.

эффект Снука

Под действием приложенного напряжения междоузельные атомы растворенных веществ, такие как углерод и азот, могут мигрировать в решетке α-Fe, ОЦК-металла. Эти ближние миграции атомов растворенных веществ углерода и азота приводят к внутреннему трению или упругому эффекту, называемому эффектом Снука. Эффект Снука был открыт Дж. Л. Снуком в 1941 году. При комнатной температуре растворимость углерода и азота в твердых растворах чрезвычайно мала. ^[10] Повышая температуру выше 400 ^o C и охлаждая с умеренной скоростью, легко удерживать несколько сотых процента любого элемента в растворе, в то время как остальная часть пересыщена. ^[10] Это открытие привело к наблюдаемым особым магнитным явлениям в железе, в основном наличию магнетизма и временному уменьшению проницаемости из-за небольшого количества углерода и азота, остающихся в железе. ^[10] Более того, дополнительное присутствие магнетизма приводит к упругому последействию. ^[11]

При подготовке образцов, содержащих большее количество углерода или азота в твердом растворе, магнитные и упругие явления значительно усиливаются. Растворимость азота намного больше, чем растворимость углерода в твердом растворе. ^[10] Изучение эффекта Снука на отожженном железе дает надежный механизм для расчета растворимости углерода и азота в α-железе. ^[12] Образец в смеси водорода и аммиака (или оксида углерода) перемешивается и нагревается до достижения стационарного состояния, где масса углерода и азота, поглощенных в ходе процесса, может быть найдена путем оценки изменений веса образца. ^[10]

Атомы углерода и азота занимают октаэдрические пустоты в средних точках ребер куба и в центрах граней куба. ^[13] Если напряжение приложено вдоль направления z или [001], октаэдрические пустоты вдоль осей x и y будут сокращаться, в то время как октаэдрические пустоты вдоль направления z будут расширяться. ^[13] В конечном итоге, междоузлия перемещаются в места вдоль оси z. ^[13] Когда междоузлия перемещаются, это приводит к уменьшению энергии деформации. В металлах с ОЦК междоузлия недеформированной решетки одинаково благоприятны. Растворенные внутри вещества создают упругие диполи. ^[14] Однако, как только к решетке прикладывается деформация, например, образованная дислокацией, 1/3 мест становятся более благоприятными, чем другие 2/3. Поэтому атомы растворенного вещества будут перемещаться, чтобы занять благоприятные места, образуя ближний порядок растворенных веществ непосредственно вблизи дислокации. ^[15] Движение интерстициальных растворенных веществ к этим другим местам представляет собой изменение упругих диполей, поэтому существует время релаксации, связанное с этим изменением, которое может быть связано с диффузией и энтальпией миграции атомов растворенного вещества. ^[14] В новой, расслабленной конфигурации растворенного вещества, следовательно, требуется больше энергии, чтобы вырвать дислокацию из этого порядка.

Однако напряжение, приложенное в направлении [111], не приведет к каким-либо изменениям в расположении атомов внедрения, поскольку три направления куба будут одинаково напряжены и в среднем одинаково заняты атомами углерода. ^[13] Когда напряжение приложено вдоль ребра куба и в количестве ниже предела текучести, атом внедрения приведет к отставанию деформации перед напряжением, показывая наличие внутреннего трения. ^[13] Крутильный маятник обычно используется в качестве средства изучения этого эффекта отставания. Угол отставания принимается равным δ , а tan δ считается мерой внутреннего трения. ^[13] Внутреннее трение выражается в соответствии с уравнением:

${\displaystyle \tan(\delta )=\left({\frac {\log(decrement)}{\pi }}\right)=Q^{-1}}$

Где логарифмический декремент представляет собой отношение последовательных величин одного цикла маятника. ^[13] Когда величина одного цикла уменьшается на величину своего первоначального значения за время , то внутренняя дробь ведет себя согласно уравнению: ${\displaystyle {\frac {1}{n}}}$ ${\displaystyle t}$

${\displaystyle \tan(\delta )=Q^{-1}={\frac {\ln {\frac {1}{n}}}{\pi \times v\times t}}}$

Где - частота колебаний маятника. ^[13] ${\displaystyle v}$

Интерстиции, которые занимают нормальные позиции в ненапряженной решетке, будут способствовать внутреннему трению. ^[13] Замещенные атомы растворенного вещества и интерстиции в полях деформации дислокации или на границах зерен изменяют свое внутреннее трение. ^[13] Поэтому эффект Снука может измерять концентрацию углерода и азота в ОЦК альфа-Fe и других растворенных веществах, присутствующих в тройных сплавах. ^[16]

Материалы

Материалы, в которых дислокации описываются атмосферой Коттрелла, включают металлы и полупроводниковые материалы, такие как кристаллы кремния .

Ссылки

1. Коттрелл, AH; Билби, BA (1949), «Дислокационная теория текучести и деформационного старения железа», Труды Физического общества , 62 (1): 49–62, Bibcode : 1949PPSA...62...49C, doi : 10.1088/0370-1298/62/1/308
2. Блаветт, Д.; Кадель, Э.; Фрацкевич, А.; Менанд, А. (1999). «Трехмерная атомно-масштабная визуализация сегрегации примесей в линейные дефекты». Science . 286 (5448): 2317–2319. doi :10.1126/science.286.5448.2317. PMID  10600736.
3. Васеда, Осаму; Вейга, Роберто ГА; Мортомас, Жюльен; Шантренн, Патрис; Беккар, Шарлотта С.; Рибейро, Фабьен; Желеа, Андрей; Голденстейн, Хелио; Перес, Мишель (март 2017 г.). «Формирование углеродных атмосфер Коттрелла и их влияние на поле напряжений вокруг краевой дислокации». Scripta Materialia . 129 : 16–19. doi :10.1016/j.scriptamat.2016.09.032. ISSN  1359-6462.
4. Veiga, RGA; Goldenstein, H.; Perez, M.; Becquart, CS (1 ноября 2015 г.). «Моделирование блокировки винтовых дислокаций атмосферами Коттрелла в низкоуглеродистых сплавах Fe–C методами Монте-Карло и молекулярной динамики». Scripta Materialia . 108 : 19–22. doi :10.1016/j.scriptamat.2015.06.012. ISSN  1359-6462.
5. Takeuchi, S.; Argon, AS (1976-10-01). «Установившаяся ползучесть сплавов из-за вязкого движения дислокаций». Acta Metallurgica . 24 (10): 883–889. doi :10.1016/0001-6160(76)90036-5. ISSN  0001-6160.
6. Мохамед, Фаргалли А. (1979-04-01). «Ползучесть сплавов твердых растворов». Materials Science and Engineering . 38 (1): 73–80. doi :10.1016/0025-5416(79)90034-X. ISSN  0025-5416.
7. Судзуки, Хидэдзи (1952-01-01). «Химическое взаимодействие атомов растворенного вещества с дислокациями». Научные отчеты научно-исследовательских институтов, Университет Тохоку. Сер. A, Физика, химия и металлургия (на японском языке). 4 : 455–463.
8. Судзуки, Хидеджи (1962-02-15). «Сегрегация растворенных атомов в дефектах упаковки». Журнал Физического общества Японии . 17 (2): 322–325. Bibcode : 1962JPSJ...17..322S. doi : 10.1143/JPSJ.17.322. ISSN  0031-9015.
9. Хикель, Т.; Сандлёбес, С.; Марсо, RKW; Дик, А.; Блесков И.; Нойгебауэр, Дж.; Раабе, Д. (15 августа 2014 г.). «Влияние нанодиффузии на энергию дефектов упаковки в высокопрочных сталях». Акта Материалия . 75 : 147–155. Бибкод : 2014AcMat..75..147H. doi :10.1016/j.actamat.2014.04.062. ISSN  1359-6454.
10. Snoek, JL (1941-07-01). "Влияние малых количеств углерода и азота на упругие и пластические свойства железа". Physica . 8 (7): 711–733. Bibcode :1941Phy.....8..711S. doi :10.1016/S0031-8914(41)90517-7. ISSN  0031-8914.
11. Koiwa, M. (1971-09-01). "Теория эффекта Снука в тройных ОЦК сплавах". The Philosophical Magazine . 24 (189): 539–554. Bibcode : 1971PMag...24..539K. doi : 10.1080/14786437108217028. ISSN  0031-8086.
12. Гаврилюк, ВГ; Шиванюк, ВН; Теус, СМ (2021-12-15). "Подвижность дислокаций в твердых растворах на основе железа C-, N-, H, измеренная с использованием внутреннего трения: влияние электронной структуры". Журнал сплавов и соединений . 886 : 161260. doi : 10.1016/j.jallcom.2021.161260. ISSN  0925-8388.
13. Марк Мейерс, Кришан Чавла (2009). Механическое поведение материалов . Кембридж, Великобритания: Кембридж. стр. 569–570. ISBN 978-0-511-45557-5.
14. Weller, M. (2006-12-20). "Релаксация Снука в bcc металлах — от стальной проволоки до метеоритов". Materials Science and Engineering: A . Труды 14-й Международной конференции по внутреннему трению и механической спектроскопии. 442 (1): 21–30. doi :10.1016/j.msea.2006.02.232. ISSN  0921-5093.
15. Хосфорд, Уильям Ф. (2005). Механическое поведение материалов . Кембридж: Издательство Кембриджского университета. ISBN 0-521-84670-6. OCLC  56482243.
16. Koiwa, M. (1971-09-01). "Теория эффекта Снука в тройных ОЦК сплавах". The Philosophical Magazine . 24 (189): 539–554. Bibcode : 1971PMag...24..539K. doi : 10.1080/14786437108217028. ISSN  0031-8086.