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転位と不純物の魅惑的なダンスを理解する: コットレル大気の役割は何ですか?
材料科学において、コットレル雰囲気の概念は、特定の金属の転位がホウ素、炭素、または窒素の格子間不純物によってどのように固定されるかを説明するために、1949 年に A. H. コットレルと B. A. ビルビーによって初めて提案されました。このような雰囲気は、鉄やニッケルなどの体心立方 (BCC) および面心立方 (FCC) 材料で発生し、ホウ素、炭素、窒素などの小さな不純物原子と関連しています。これらの格子間原子が格子をわずかに歪めると、格子間原子の周囲に関連する残留応力場が生成されます。この応力場は、転位コアへの格子間原子の拡散によって緩和されます。転位コアでは構造が比較的開いているため、格子間原子の拡散が可能になります。
原子が転位核に拡散すると、そこに留まります。通常は、転位の格子面ごとに 1 つの格子間原子のみが必要です。
この過程で、転位核の周りに集まった溶質原子がコットレル雰囲気を形成しました。転位におけるこれらの溶質原子の凝集は、転位に関連する応力を軽減し、転位の存在エネルギーを低減するのに役立ちます。したがって、転位がこのコットレル雰囲気を通過すると、エネルギーが増加し、転位が結晶内で前進することが困難になります。その結果、転位はコットレル雰囲気によって効果的に固定されます。
転位が固定されると、固定を解除して降伏させるには大きな外力が必要になるため、室温では通常、これらの転位は固定解除されません。これにより、応力-ひずみ線図で観察される上降伏点が生成されます。この上限降伏点を超えると、固定された転位はフランク・リード源として機能し、固定されずに結晶内で自由に移動できる新しい転位を生成し、その後の降伏点が低下し、材料がより塑性的に変形するようになります。
サンプルを長時間放置し、室温で自然に老化させると、炭素原子が再び転位コアに拡散して戻り、上降伏点が回復します。
コットレル雰囲気はリューダース帯の形成につながり、大きなシートの深絞りや成形に高い力が必要となり、生産の障害となります。少量のチタンを添加することで脱炭および窒素が除去される格子間原子を含まない鋼など、一部の鋼はコットレル雰囲気の影響を排除するように設計されています。
さらに、コットレル雰囲気は、材料がクリープ状態にさらされているときなど、高い準等方性温度での材料の挙動に大きな影響を与えます。コットレル大気に関連する転位運動は粘性抵抗、つまり転位運動をより困難にする（したがって塑性変形を遅くする）効果的な摩擦力を生成します。この抵抗は次のように表現できます。
<コード> F_{抗力} = \frac{kT\Omega}{vD_{sol}} \int \frac{J \cdot J}{c} dAここで、Dsol はマトリックス材料中の溶質原子の拡散率です。コットレル雰囲気の存在とそれが生成する粘性抵抗は、中程度の応力下での高温変形において非常に重要であり、べき乗則破壊段階に寄与することが示されています。
類似現象
コットレル雰囲気は一般的な効果ですが、特定の特殊な環境では他の関連するメカニズムも発生します。
鈴木効果鈴木効果は、積層欠陥における溶質原子の偏析によって特徴付けられます。 FCC システムの転位が 2 つの部分転位に分裂すると、中央に六方最密充填 (HCP) 積層欠陥が形成されます。これにより、鈴木秀次氏は、この境界における溶質原子の濃度がバルク相における濃度とは異なるだろうと予測しました。この溶質原子の場はコットレル雰囲気に似ており、転位に対して同様の抵抗を生み出します。鈴木氏は1961年にこの分離現象を観察した。
スノーク効果
応力が加わると、格子間固溶体原子（炭素や窒素など）がα-Fe（BCC金属）格子内を移動することがあります。炭素と窒素のこれらの短距離移動により、スヌーク効果として知られる内部摩擦または弾性効果が生じます。スノエク効果は 1941 年に J. L. スノエクによって発見されました。
たとえば、サンプルを水素とアンモニア（または一酸化炭素）の混合物中で定常状態に達するまで加熱すると、その過程で吸収された炭素と窒素の質量の変化を推定できます。
これらの現象の発見は、濃縮可能な溶質に対する理解を深めるだけでなく、現代の材料科学の発展にとって重要な理論的基礎と応用の可能性も提供します。どの物質においてコットレルの大気の影響がより顕著になりますか?
