stringtranslate.com

Скольжение (материаловедение)

Схематический вид механизма скольжения

В материаловедении скольжение — это большое смещение одной части кристалла относительно другой части вдоль кристаллографических плоскостей и направлений. [1] Скольжение происходит при прохождении дислокаций по плотно упакованным плоскостям, которые представляют собой плоскости, содержащие наибольшее число атомов на площадь и в плотно упакованных направлениях ( наибольшее количество атомов на длину). Плотно упакованные плоскости известны как плоскости скольжения или скольжения . Система скольжения описывает набор симметрично идентичных плоскостей скольжения и связанное с ними семейство направлений скольжения , для которых движение дислокации может легко происходить и приводить к пластической деформации . Величина и направление скольжения представлены вектором Бюргерса , b .

Внешняя сила заставляет части кристаллической решетки скользить друг по другу, изменяя геометрию материала. Для начала скольжения требуется критическое разрешенное напряжение сдвига . [2]

Системы скольжения

Гранецентрированные кубические кристаллы

Элементарная ячейка ГЦК-материала.
Конфигурация решетки плотно упакованной плоскости скольжения в ГЦК-материале. Стрелка представляет вектор Бюргерса в этой системе скольжения дислокаций.

Скольжение в гранецентрированных кубических (ГЦК) кристаллах происходит вдоль плотноупакованной плоскости . В частности, плоскость скольжения имеет тип {111} , а направление — тип < 1 10>. На диаграмме справа конкретная плоскость и направление — (111) и [ 1 10] соответственно.

Учитывая перестановки типов плоскостей скольжения и типов направлений, кристаллы ГЦК имеют 12 систем скольжения. [3] В решетке ГЦК норму вектора Бюргерса b можно рассчитать с помощью следующего уравнения: [4]

[4]

Где a — постоянная решетки элементарной ячейки.

Объемно-центрированные кубические кристаллы

Элементарная ячейка ОЦК-материала.
Конфигурация решетки плоскости скольжения в ОЦК-материале. Стрелка представляет вектор Бюргерса в этой системе скольжения дислокаций.

Скольжение в объемно-центрированных кубических (ОЦК) кристаллах также происходит вдоль плоскости кратчайшего вектора Бюргерса ; однако, в отличие от ГЦК, в кристаллической структуре ОЦК нет по-настоящему плотноупакованных плоскостей. Таким образом, система скольжения в ОЦК требует нагревания для активации.

Некоторые bcc материалы (например, α-Fe) могут содержать до 48 систем скольжения. Существует шесть плоскостей скольжения типа {110}, каждая с двумя направлениями <111> (12 систем). Существует 24 плоскости {123} и 12 плоскостей {112}, каждая с одним направлением <111> (36 систем, всего 48). Хотя количество возможных систем скольжения в bcc кристаллах намного выше, чем в fcc кристаллах, пластичность не обязательно выше из-за повышенных напряжений трения решетки . [3] Хотя плоскости {123} и {112} не совсем идентичны по энергии активации {110}, они настолько близки по энергии, что для всех намерений и целей их можно рассматривать как идентичные. На диаграмме справа конкретная плоскость скольжения и направление — (110) и [ 1 11] соответственно. [4]

[4]

Гексагональные плотноупакованные кристаллы

Системы скольжения в сплавах циркония . 𝒃 и 𝒏 — направление и плоскость скольжения соответственно, а 𝝎 — ось вращения, рассчитанная в настоящей работе, ортогональная как нормали плоскости скольжения, так и направлению скольжения. Кристаллическое направление векторов оси вращения обозначено на цветовом ключе IPF. [5]

Скольжение в гексагональных плотноупакованных (ГПУ) металлах гораздо более ограничено, чем в кристаллических структурах ОЦК и ГЦК. Обычно кристаллические структуры ГПУ допускают скольжение по плотноупакованным базальным плоскостям {0001} вдоль направлений <11 2 0>. Активация других плоскостей скольжения зависит от различных параметров, например, соотношения c/a. Поскольку на базальных плоскостях есть только 2 независимые системы скольжения, для произвольной пластической деформации необходимо активировать дополнительные системы скольжения или двойников. Обычно это требует гораздо более высокого разрешенного напряжения сдвига и может привести к хрупкому поведению некоторых ГПУ-поликристаллов. Однако другие ГПУ-материалы, такие как чистый титан, демонстрируют большую пластичность. [6]

Кадмий , цинк , магний , титан и бериллий имеют плоскость скольжения в {0001} и направление скольжения <11 2 0>. Это создает в общей сложности три системы скольжения, в зависимости от ориентации. Возможны и другие комбинации. [7]

В кристаллах существует два типа дислокаций, которые могут вызывать скольжение — краевые дислокации и винтовые дислокации. Краевые дислокации имеют направление вектора Бюргерса, перпендикулярное линии дислокации, в то время как винтовые дислокации имеют направление вектора Бюргерса, параллельное линии дислокации. Тип образующихся дислокаций во многом зависит от направления приложенного напряжения, температуры и других факторов. Винтовые дислокации могут легко перекрестно скользить из одной плоскости в другую, если другая плоскость скольжения содержит направление вектора Бюргерса. [2]

Скользящая полоса

Полоса скольжения, образованная на зерне феррита в состаренной закаленной нержавеющей стали. Полоса скольжения в центре изображения наблюдалась при определенной нагрузке, затем нагрузка увеличивалась с выбросом дислокаций, выходящих из кончика полосы скольжения в ответ на увеличение нагрузки. Этот выброс дислокаций и топографическое изменение перед полосой скольжения наблюдалось через различные полосы скольжения (см. дополнительную информацию в статье). Длина изображения составляет 10 мкм. [8]

Образование полос скольжения указывает на концентрированное однонаправленное скольжение на определенных плоскостях, вызывающее концентрацию напряжений. Обычно полосы скольжения вызывают поверхностные ступеньки (т. е. шероховатость из-за постоянных полос скольжения во время усталости ) и концентрацию напряжений, которая может быть местом зарождения трещин. Полосы скольжения распространяются до тех пор, пока не столкнутся с границей, и генерируемое напряжение от скопления дислокаций на этой границе либо остановит, либо передаст рабочее скольжение. [9] [10]

Образование полос скольжения в циклических условиях рассматривается как устойчивые полосы скольжения (PSB), тогда как образование в монотонных условиях рассматривается как дислокационные плоские массивы (или просто полосы скольжения). [11] Полосы скольжения можно просто рассматривать как граничное скольжение из-за скольжения дислокаций, которое лишено (сложности) высокой локализации пластической деформации PSB, проявляющейся в выдавливании в виде языка и ленты. И, где PSB обычно изучаются с (эффективным) вектором Бюргера, выровненным с плоскостью выдавливания, поскольку PSB распространяется поперек зерна и обостряется во время усталости; [12] монотонная полоса скольжения имеет вектор Бюргера для распространения и другой для выдавливания плоскости, оба из которых контролируются условиями на кончике.

Определение активности скольжения

Основные методы определения активной системы скольжения включают либо анализ следов скольжения монокристаллов [13] [14] или поликристаллов [15] [8] с использованием дифракционных методов , таких как нейтронная дифракция [16] и анализ упругой деформации методом дифракции обратного рассеяния электронов с высоким угловым разрешением [17] или дифракционное изображение дислокаций с помощью просвечивающей электронной микроскопии [18] .

При анализе следа скольжения измеряется только плоскость скольжения, а направление скольжения выводится. Например, в цирконии это позволяет идентифицировать активность скольжения на базальной, призматической или пирамидальной плоскости 1-го/2-го порядка. В случае следа пирамидальной плоскости 1-го порядка скольжение может происходить либо в направлениях ⟨𝑎⟩, либо ⟨𝑐 + 𝑎⟩; анализ следа скольжения не может различить их. [5]

Исследования на основе дифракции измеряют остаточное содержание дислокаций вместо скользящих дислокаций, что является лишь хорошим приближением для систем, которые накапливают сети геометрически необходимых дислокаций , таких как гранецентрированные кубические поликристаллы. [19] В кристаллах с низкой симметрией, таких как гексагональный цирконий , могут быть области преимущественно одиночного скольжения, где геометрически необходимые дислокации не обязательно могут накапливаться. [20] Остаточное содержание дислокаций не различает скользящие и сидячие дислокации. Скользящие дислокации способствуют скольжению и упрочнению , но сидячие дислокации способствуют только скрытому упрочнению. [5]

Методы дифракции, как правило, не могут разрешить плоскость скольжения остаточной дислокации. Например, в Zr винтовые компоненты ⟨𝑎⟩ дислокаций могут скользить по призматическим, базальным или пирамидальным плоскостям 1-го порядка. Аналогично, винтовые дислокации ⟨𝑐 + 𝑎⟩ могут скользить по пирамидальным плоскостям 1-го или 2-го порядка. [5]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Ястржебски, Д. Природа и свойства конструкционных материалов (ред. Wiley International).
  2. ^ ab , Халл Д., Бэкон, DJ (2001); «Введение в дислокации», 4-е изд., ISBN 0-7506-4681-0 
  3. ^ ab Soboyejo, Wole O. (2003). "7.8 Кристаллическая структура и движение дислокаций". Механические свойства конструкционных материалов . Марсель Деккер. ISBN 0-8247-8900-8. OCLC  300921090.
  4. ^ abcd Ван Влит, Кристин Дж. (2006); "3.032 Механическое поведение материалов" Архивировано 17 сентября 2009 г. на Wayback Machine
  5. ^ abcd Тонг, Вивиан; Вилевски, Юэн; Бриттон, Бен (2018). «Характеристика скольжения и двойникования в высокоскоростно деформированном цирконии с помощью дифракции обратно рассеянных электронов». arXiv : 1803.00236 . {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  6. ^ Ороско-Кабальеро, Альберто; Ли, Фэн; Эске-де лос Охос, Дэниел; Аткинсон, Майкл Д.; Кинта да Фонсека, Жуан (2018). «О пластичности альфа-титана: влияние температуры и режима деформации». Акта Материалия . 149 : 1–10. Бибкод : 2018AcMat.149....1O. doi :10.1016/j.actamat.2018.02.022. ISSN  1359-6454.
  7. ^ Каллистер, Уильям Д., младший (2007); «Материаловедение и инженерия: Введение», ISBN 0-471-73696-1 
  8. ^ ab Koko, Abdalrhaman; Elmukashfi, Elsiddig; Becker, Thorsten H.; Karamched, Phani S.; Wilkinson, Angus J.; Marrow, T. James (2022-10-15). "In situ характеристика полей деформации внутризеренных полос скольжения в феррите с помощью высокоразрешающей дифракции обратного рассеяния электронов". Acta Materialia . 239 : 118284. Bibcode :2022AcMat.23918284K. doi : 10.1016/j.actamat.2022.118284 . ISSN  1359-6454. S2CID  251783802.
  9. ^ Smallman, RE; Ngan, AHW (2014-01-01), Smallman, RE; Ngan, AHW (ред.), "Глава 9 - Пластическая деформация и поведение дислокаций", Modern Physical Metallurgy (восьмое издание) , Оксфорд: Butterworth-Heinemann, стр. 357–414, doi :10.1016/b978-0-08-098204-5.00009-2, ISBN 978-0-08-098204-5, получено 2022-10-04
  10. ^ Сэнгид, Майкл Д. (2013-12-01). "Физика зарождения усталостных трещин". Международный журнал усталости . Усталость и микроструктура: специальный выпуск о последних достижениях. 57 : 58–72. doi :10.1016/j.ijfatigue.2012.10.009. ISSN  0142-1123.
  11. ^ Лукаш, П.; Клеснил, М.; Крейчи, Й. (1968). «Дислокации и устойчивые полосы скольжения в монокристаллах меди, утомленных при низкой амплитуде напряжения». Physica Status Solidi B (на немецком языке). 27 (2): 545–558. Bibcode : 1968PSSBR..27..545L. doi : 10.1002/pssb.19680270212. S2CID  96586802.
  12. ^ Шиллер, К.; Вальгреф, Д. (1988-03-01). «Численное моделирование образования устойчивых полос скольжения». Acta Metallurgica . 36 (3): 563–574. doi :10.1016/0001-6160(88)90089-2. ISSN  0001-6160.
  13. ^ Ахтар, А; Техтсунян, А (июль 1971 г.). «Пластическая деформация монокристаллов циркония». Acta Metallurgica . 19 (7): 655–663. doi :10.1016/0001-6160(71)90019-8.
  14. ^ Gong, Jicheng; Benjamin Britton, T.; Cuddihy, Mitchell A.; Dunne, Fionn PE; Wilkinson, Angus J. (сентябрь 2015 г.). "〈a〉 Призматическая, 〈a〉 базальная и 〈c+a〉 прочность скольжения коммерчески чистого Zr с помощью микроконсольных испытаний". Acta Materialia . 96 : 249–257. Bibcode :2015AcMat..96..249G. doi :10.1016/j.actamat.2015.06.020. hdl : 10044/1/31552 .
  15. ^ Ван, Лейюнь; Барабаш, Розалия; Билер, Томас; Лю, Вэньцзюнь; Эйзенлор, Филипп (август 2013 г.). «Изучение двойникования $$ \{ 11\bar{2} 1\} $$ в α-Ti с помощью EBSD и микродифракции Лауэ». Metallurgical and Materials Transactions A . 44 (8): 3664–3674. doi : 10.1007/s11661-013-1714-y . ISSN  1073-5623. S2CID  199405954.
  16. ^ Лонг, Ф.; Балог, Л.; Даймонд, М. Р. (2017-11-02). «Эволюция плотности дислокаций в горячекатаном сплаве Zr–2.5Nb с пластической деформацией, изученной с помощью нейтронной дифракции и просвечивающей электронной микроскопии». Philosophical Magazine . 97 (31): 2888–2914. Bibcode :2017PMag...97.2888L. doi :10.1080/14786435.2017.1356940. ISSN  1478-6435. S2CID  136620892.
  17. ^ Кайяр, Даниэль; Раутенберг, Мартин; Феогас, Ксавье (апрель 2015 г.). «Механизмы дислокации в циркониевом сплаве в высокотемпературном режиме: исследование с помощью просвечивающей электронной микроскопии in situ». Acta Materialia . 87 : 283–292. doi :10.1016/j.actamat.2015.01.016.
  18. ^ МакКейб, Р. Дж.; Серрета, ЕК; Мисра, А.; Кашнер, Г. К.; Томе, К. Н. (2006-08-11). «Влияние текстуры, температуры и напряжения на режимы деформации циркония». Philosophical Magazine . 86 (23): 3595–3611. Bibcode :2006PMag...86.3595M. doi :10.1080/14786430600684500. ISSN  1478-6435. S2CID  137662799.
  19. ^ Цзян, Цзюнь; Бриттон, Т. Бен; Уилкинсон, Ангус Дж. (июнь 2015 г.). «Зависимость эволюции структуры дислокаций от ориентации и деформации в монотонно деформированной поликристаллической меди». Международный журнал пластичности . 69 : 102–117. doi : 10.1016/j.ijplas.2015.02.005. hdl : 10044/1/25966 .
  20. ^ Цзян, Цзюнь; Чжан, Тяньтянь; Данн, Фионн ПЭ; Бриттон, Т. Бен (январь 2016 г.). «Совместимость деформаций в монокристаллическом суперсплаве Ni». Труды Королевского общества A: Математические, физические и инженерные науки . 472 (2185): 20150690. Bibcode : 2016RSPSA.47250690J. doi : 10.1098/rspa.2015.0690. ISSN  1364-5021. PMC 4786046. PMID 26997901  . 

Внешние ссылки