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金属内部の秘密を解き明かす: コットレルの大気と転位の不思議な関係!
材料科学の分野では、一部の金属の転位がホウ素、炭素、窒素などの格子間原子によって固定される理由を説明するために、1949 年に A. H. コットレルと B. A. ビルビーによってコットレル大気の概念が提案されました。この現象は、鉄やニッケルなど、少量の不純物原子を含む体心立方晶 (BCC) および面心立方晶 (FCC) 金属で特に現れます。これらの格子間原子が存在すると、金属の格子構造がわずかに変形し、これらの格子間原子の周囲に残留応力場が形成されます。これらの原子が拡散して転位になると、転位のコア構造がより緩くなり、効果的に引き寄せられてコットレル雰囲気を形成することができます。
このコットレル雰囲気の形成により、転位に関連する内部応力が緩和され、転位が存在するエネルギーが減少します。
転位がコットレル大気によって固定されている場合、特に室温では固定を解除するために大きな力を加える必要があります。このようなメカニズムにより、応力-ひずみ線図に明らかな上部降伏点が生じます。この上限降伏点を過ぎると、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ようになり、材料の塑性がより安定します。サンプルを室温で数時間放置すると、炭素原子が転位コア内に再拡散して戻り、上部降伏点が再び上昇します。
コットレル大気の存在は、大型パネルの製造に必要な巨大な力だけでなく、リューダースバンドの形成も引き起こし、製造に障害をもたらします。コットレル大気の影響を軽減するために、一部の鋼はすべての格子間原子を除去するように特別に設計されています。たとえば、ギャップフリー鋼は脱炭され、窒素含有量を除去するために少量のチタンが添加されます。
コットレル雰囲気の存在は、特に材料がクリープ状態に陥った場合、高い均一温度での材料の挙動に重要な影響を与えます。
コットレル雰囲気のある転位が移動すると、有効な摩擦力である粘性抵抗が生じ、転位の移動がより困難になり、それによって塑性変形が遅くなります。この要因は、高温での変形挙動とエネルギー散逸において無視できません。
関連現象
コットレル大気の役割に加えて、特定の状況下で発生する他の関連メカニズムがあります。
スズキ効果
スズキ効果は、溶質原子が積層欠陥に向かって集中することを特徴としています。 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) 積層欠陥が形成されます。この現象は、コットレル大気の場合と同様の摩擦を引き起こし、転位が移動する圧力を高めます。
スヌーカー効果
応力が加わると、炭素や窒素などの格子間溶質原子が体心立方金属 α-Fe 内を移動します。この短距離移動により、スヌーカー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。温度が上昇すると、これらの非常に微量の溶質が残り、特殊な磁気特性とヒステリシスを示します。スヌーカー効果の研究を通じて、α-Fe 中の溶質原子の溶解度を確実に計算できます。
スヌーカー効果は結晶格子内の溶質原子の挙動を考慮し、内部摩擦メカニズムの研究を推進します。
コットレルの大気中に出現する物質には、多くの金属やシリコン結晶などの半導体物質が含まれます。これらの現象は、材料の内部構造とその特性との密接な関係を明らかにし、研究者に材料の設計と改善のさらなる探求を促すものです。テクノロジーが進歩するにつれて、金属内部のさらなる秘密を解き明かし、より強力な新素材の作成を促進できるでしょうか?
