stringtranslate.com

Скольжение (материаловедение)

Схематический вид механизма скольжения

В материаловедении скольжением называют большое смещение одной части кристалла относительно другой по кристаллографическим плоскостям и направлениям. [1] Скольжение происходит при прохождении дислокаций по плотноупакованным плоскостям, которые представляют собой плоскости, содержащие наибольшее количество атомов на площадь , и в плотноупакованных направлениях (большинство атомов на длину). Плотноупакованные самолеты известны как самолеты скольжения или планирования . Система скольжения описывает набор симметрично одинаковых плоскостей скольжения и связанное с ними семейство направлений скольжения , для которых легко может возникнуть движение дислокаций, приводящее 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]

Скользящие системы

Гранецентрированные кубические кристаллы

Элементарная ячейка ГЦК-материала.
Решеточная конфигурация плотноупакованной 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} и направление имеет тип < 1 10>. На диаграмме справа конкретная плоскость и направление — (111) и [ 1 10] соответственно.

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

[4]

Где a — постоянная решетки элементарной ячейки.

Объемноцентрированные кубические кристаллы

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

Скольжение в объемноцентрированных кубических (ОЦК) кристаллах происходит также и по плоскости кратчайшего вектора Бюргерса ; однако, в отличие от ГЦК, в кристаллической структуре ОЦК нет истинно плотноупакованных плоскостей. Таким образом, для активации системы скольжения в ОЦК требуется тепло.

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

[4]

Гексагональные плотноупакованные кристаллы

Системы скольжения в циркониевых сплавах . 𝒃 и 𝒏 — направление и плоскость скольжения соответственно, а 𝝎 — ось вращения, рассчитанная в настоящей работе, ортогональная как нормали к плоскости скольжения, так и направлению скольжения. Направление кристаллов векторов осей вращения указано на цветовой клавише 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 базисным плоскостям {0001} вдоль направлений <11 2 0>. Активация других плоскостей скольжения зависит от различных параметров, например, от отношения с/а. Поскольку на базисных плоскостях имеется только две независимые системы скольжения, для произвольной пластической деформации необходимо активировать дополнительные системы скольжения или двойные системы. Обычно это требует гораздо более высокого разрешения напряжения сдвига и может привести к хрупкому поведению некоторых поликристаллов ГПУ. Однако другие материалы ГПУ, такие как чистый титан, демонстрируют большую пластичность. [6]

Кадмий , цинк , магний , титан и бериллий имеют плоскость скольжения {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 существуют два типа дислокаций, которые могут вызывать дислокации скольжения: краевые и винтовые. Краевые дислокации имеют направление вектора Бюргерса перпендикулярно линии дислокации, а винтовые дислокации имеют направление вектора Бюргерса параллельно линии дислокации. Тип образующихся дислокаций во многом зависит от направления приложенного напряжения, температуры и других факторов. Винтовые дислокации могут легко перескакивать из одной плоскости в другую, если другая плоскость скольжения содержит направление вектора Бюргерса. [2]

Скользящая полоса

Полоса скольжения, образованная на ферритном зерне из состаренной закаленной нержавеющей стали. Полоса скольжения в центре изображения наблюдалась при определенной нагрузке, затем нагрузка увеличивалась с вспышкой дислокаций, выходящих из кончика полосы скольжения в ответ на приращение нагрузки. Этот всплеск дислокаций и топографические изменения перед полосой скольжения наблюдались в разных полосах скольжения (см. дополнительную информацию к статье). длина изображения 10 мкм. [8]

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

Формирование полос скольжения в циклических условиях рассматривается как полосы постоянного скольжения (ПСБ), а образование в монотонных условиях рассматривается как плоские массивы дислокаций (или просто полосы скольжения). [11] Полосы скольжения можно просто рассматривать как граничное скольжение из-за скольжения дислокаций, в котором отсутствует (сложность) высокая локализация пластической деформации PSB, проявляющаяся в виде язычка и ленты. И там, где PSB обычно изучаются с (эффективным) вектором Бюргера, совмещенным с плоскостью экструзии, поскольку PSB распространяется поперек волокон и усиливается при усталости; [12] монотонная полоса скольжения имеет вектор Бюргера для распространения и другой для плоского выдавливания, оба контролируются условиями на кончике.

Идентификация активности скольжения

Основные методы идентификации активной системы скольжения включают анализ следов скольжения монокристаллов [13] [14] или поликристаллов [15] [ 8] с использованием дифракционных методов, таких как дифракция нейтронов [16] и упругой дифракции обратного рассеяния электронов с высоким угловым разрешением. анализ деформации, [17] или просвечивающая электронная микроскопия, дифракционная визуализация дислокаций . [18]

При анализе следов скольжения измеряется только плоскость скольжения и определяется направление скольжения. Например, в цирконии это позволяет идентифицировать активность скольжения в базальной плоскости, призме или пирамидальной плоскости 1-го/2-го порядка. В случае пирамидального плоского следа 1-го порядка скольжение может происходить либо в 〈𝑎〉, либо в 〈𝑐 + 𝑎〉 направлениях; Анализ следов скольжения не может отличить их друг от друга. [5]

Исследования, основанные на дифракции , измеряют остаточное содержание дислокаций вместо сместившихся дислокаций, что является лишь хорошим приближением для систем, которые накапливают сети геометрически необходимых дислокаций , таких как кубические поликристаллы с гранецентрированными гранями . [19] В кристаллах с низкой симметрией, таких как гексагональный цирконий , могут существовать области преимущественно одиночного скольжения, где геометрически необходимые дислокации не обязательно могут накапливаться. [20] По остаточному дислокационному содержимому не различают скользящие и сидячие вывихи. Скользящие дислокации способствуют скольжению и упрочнению , а сидячие — только скрытому упрочнению. [5]

Дифракционные методы обычно не могут определить плоскость скольжения остаточной дислокации. Например, в Zr винтовые компоненты дислокаций 〈𝑎〉 могут скользить по призматическим, базальным или пирамидальным плоскостям 1-го порядка. Аналогично, винтовые дислокации 〈𝑐 + 𝑎〉 могут скользить по пирамидальным плоскостям как 1-го, так и 2-го порядка. [5]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Ястржебски, Д. Природа и свойства инженерных материалов (изд. Wiley International).
  2. ^ ab , Халл Д., Бэкон, ди-джей (2001); «Введение в дислокации», 4-е изд., ISBN 0-7506-4681-0 
  3. ^ аб Собоеджо, Воле О. (2003). «7.8 Кристаллическая структура и движение дислокаций». Механические свойства конструкционных материалов . Марсель Деккер. ISBN 0-8247-8900-8. ОСЛК  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; Велевский, Юан; Бриттон, Бен (2018). «Характеристика скольжения и двойникования в высокоскоростно деформированном цирконии с помощью дифракции обратного рассеяния электронов». arXiv : 1803.00236 . {{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |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. ^ аб Коко, Абдалраман; Эльмукашфи, Эльсиддиг; Беккер, Торстен Х.; Карамчед, Фани С.; Уилкинсон, Ангус Дж.; Марроу, Т. Джеймс (15 октября 2022 г.). «In situ характеристика полей деформации внутризеренных полос скольжения в феррите методом дифракции обратного рассеяния электронов высокого разрешения». Акта Материалия . 239 : 118284. Бибкод : 2022AcMat.23918284K. дои : 10.1016/j.actamat.2022.118284 . ISSN  1359-6454. S2CID  251783802.
  9. ^ Смоллман, RE; Нган, AHW (01 января 2014 г.), Смоллман, RE; Нган, AHW (ред.), «Глава 9 - Пластическая деформация и дислокационное поведение», Современная физическая металлургия (восьмое издание) , Оксфорд: Баттерворт-Хейнеманн, стр. 357–414, номер документа : 10.1016/b978-0-08-098204 -5.00009-2, ISBN 978-0-08-098204-5, получено 4 октября 2022 г.
  10. ^ Сангид, Майкл Д. (1 декабря 2013 г.). «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, Дж. (1968). «Дислокации и полосы упорного скольжения в монокристаллах меди, утомленных при низкой амплитуде напряжений». Physica Status Solidi B (на немецком языке). 27 (2): 545–558. Бибкод :1968ПССБР..27..545Л. дои : 10.1002/pssb.19680270212. S2CID  96586802.
  12. ^ Шиллер, К.; Уолгреф, Д. (1 марта 1988 г.). «Численное моделирование образования устойчивой полосы скольжения». Акта Металлургика . 36 (3): 563–574. дои : 10.1016/0001-6160(88)90089-2. ISSN  0001-6160.
  13. ^ Ахтар, А; Техцунян, А (июль 1971 г.). «Пластическая деформация монокристаллов циркония». Акта Металлургика . 19 (7): 655–663. дои : 10.1016/0001-6160(71)90019-8.
  14. ^ Гун, Цзичэн; Бенджамин Бриттон, Т.; Каддихи, Митчелл А.; Данн, Фионн, PE; Уилкинсон, Ангус Дж. (сентябрь 2015 г.). «〈a〉 Призматическая, 〈a〉 базальная и 〈c+a〉 прочность на скольжение технически чистого Zr по результатам испытаний на микрокантилевере». Акта Материалия . 96 : 249–257. Бибкод : 2015AcMat..96..249G. doi :10.1016/j.actamat.2015.06.020. hdl : 10044/1/31552 .
  15. ^ Ван, Лейюн; Барабаш, Розалия; Билер, Томас; Лю, Вэньцзюнь; Эйзенлор, Филип (август 2013 г.). «Исследование $$ \{ 11\bar{2} 1\} $$ двойникования в α-Ti методами EBSD и микродифракции Лауэ». Металлургические и сырьевые операции А . 44 (8): 3664–3674. дои : 10.1007/s11661-013-1714-y . ISSN  1073-5623. S2CID  199405954.
  16. ^ Лонг, Ф.; Балог, Л.; Дэймонд, MR (2 ноября 2017 г.). «Эволюция плотности дислокаций в горячекатаном сплаве Zr–2,5Nb при пластической деформации, изученная методами нейтронографии и просвечивающей электронной микроскопии». Философский журнал . 97 (31): 2888–2914. Бибкод : 2017PMag...97.2888L. дои : 10.1080/14786435.2017.1356940. ISSN  1478-6435. S2CID  136620892.
  17. ^ Кайлард, Дэниел; Раутенберг, Мартин; Феогас, Ксавье (апрель 2015 г.). «Дислокационные механизмы в циркониевом сплаве в высокотемпературном режиме: исследование ПЭМ in situ». Акта Материалия . 87 : 283–292. doi :10.1016/j.actamat.2015.01.016.
  18. ^ Маккейб, Р.Дж.; Серрета, ЕК; Мисра, А.; Кашнер, ГК; Томе, Китай (11 августа 2006 г.). «Влияние текстуры, температуры и деформации на формы деформации циркония». Философский журнал . 86 (23): 3595–3611. Бибкод : 2006PMag...86.3595M. дои : 10.1080/14786430600684500. ISSN  1478-6435. S2CID  137662799.
  19. ^ Цзян, Цзюнь; Бриттон, Т. Бен; Уилкинсон, Ангус Дж. (июнь 2015 г.). «Ориентационная и деформационная зависимость эволюции дислокационной структуры 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, PE; Бриттон, Т. Бен (январь 2016 г.). «Совместимость деформаций в монокристаллическом никелевом суперсплаве». Труды Королевского общества A: Математические, физические и технические науки . 472 (2185): 20150690. Бибкод : 2016RSPSA.47250690J. дои : 10.1098/rspa.2015.0690. ISSN  1364-5021. ПМЦ 4786046 . ПМИД  26997901. 

Внешние ссылки