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科学の謎: コットレルの大気は金属の強度にどのような影響を与えるのか?
材料科学の分野では、コットレル雰囲気の概念が 1949 年に A. H. コットレルと B. A. ビルビーによって提案され、ホウ素、炭素、または窒素の格子間原子の影響により特定の金属で転位がどのように固定されるかを説明しました。この現象は、鉄やニッケルなどの体心立方晶 (BCC) 構造や面心立方晶 (FCC) 構造を持つ材料で観察されます。これらの小さな不純物原子が格子構造に入ると、その周囲に小さな歪みと残留応力場が生じます。この応力場は、格子間原子が転位内に拡散することによって軽減され、転位のコアはその開放構造によりこれらの原子を収容することができます。こうして形成されたコレクションはコットレルの雰囲気そのものです。
コットレル大気の形成とそれが金属の強度に及ぼす影響は、材料科学の分野において常に重要な研究方向でした。
機械的動作の影響
溶質原子が転位の近くに集まると、転位に関連する応力が緩和され、それによって転位が存在するのに必要なエネルギーが減少します。したがって、転位がコットレル大気の外に移動する場合、より多くのエネルギーが必要となり、結晶内での転位の移動が好ましくなくなります。その結果、転位は効果的に固定されます。脱臼が固定されると、降伏する前にこの固定を解除するにはより大きな力が必要になります。したがって、室温では転位はピンを外さず、その結果、応力-ひずみ曲線で観察される降伏点の上限が高くなります。ただし、上限降伏点を超えると、固定転位がフランクリード源となり、新しい非固定転位が生成され、結晶内で自由に移動できるため、その後降伏点が低くなり、材料が変形します。よりプラスチック的な方法。
サンプルを一定期間 (数時間など) 放置すると、炭素原子が再拡散して転位核内に戻り、降伏点の上部が上昇します。コットレル大気の影響もリューダースゾーンの形成を促進し、深絞り加工や大型シートの製造を妨げます。したがって、一部の鉄鋼製品は、窒素を除去するために少量のチタンを添加した脱炭格子間鋼など、コットレル雰囲気効果を排除するように特別に設計されています。
したがって、特定の環境や条件下では、金属加工中にコットレル雰囲気の存在が課題となる可能性があります。
高温の影響
コットレル雰囲気の存在は、高温での材料の挙動、特に材料がクリープ状態に陥った場合にも重要な影響を及ぼします。転位の動きとそれに伴うコットレル雰囲気により粘性抵抗が生じ、転位の動きがより困難になり、塑性変形の速度が遅くなります。
同様の現象
スズキ効果
スズキ効果は、溶質が充填欠陥に偏析することを特徴とするもう 1 つの関連現象です。 FCC システムでは、転位が 2 つの部分転位に分裂すると、その 2 つの間に六方最密充填 (HCP) 充填欠陥が形成されます。 H. スズキは、この境界における溶質原子の濃度が親相の濃度とは異なるだろうと予測しています。これはコットレル雰囲気に似ており、転位運動に対する抵抗力を発揮し、材料をより強くします。
スヌーク効果
応力がかかると、炭素や窒素などの格子間溶質原子が α-Fe 体心立方格子内を移動する可能性があり、この短距離移動により内部摩擦または弾性効果、いわゆるスヌーク効果が生じます。 Snoek 効果の研究は、BCCα-Fe における炭素と窒素の溶解度を計算し、材料の性能をさらに分析するのに役立ちます。
結論
材料科学では、コットレル大気の概念を研究することは、金属や半導体材料の強度メカニズムを理解するのに役立つだけでなく、関連材料の加工や応用にも重要な参考資料となります。コットレル大気の存在と影響は、間違いなくさらなる探究が必要な材料科学の分野であり、それは次のような疑問につながります。この現象をどのように利用して、将来のより高い性能要件に対応するより強靱な材料を作成できるでしょうか?< /p>
