Language
Country/Area
No result found
Почему некоторые металлы сопротивляются деформации? Раскрываем тайну атмосферы Коттрелла!
В материаловедении концепция атмосферы Коттрелла была впервые предложена А. Х. Коттреллом и Б. А. Билби в 1949 году для объяснения того, как дислокации в некоторых металлах фиксируются внедренными атомами, такими как бор, углерод или азот. Это явление наблюдается в материалах с объемно-центрированной кубической (ОЦК) и гранецентрированной кубической (ГЦК) структурами, таких как железо или никель, где присутствуют небольшие примесные атомы. Эти внедренные атомы слегка искажают решетку и создают вокруг нее связанное с ней поле остаточных напряжений. Это поле напряжений смягчается распространением межузельных атомов по направлению к дислокации, и, таким образом, после того как атомы диффундируют в ядро дислокации, они остаются там в течение длительного времени, образуя атмосферу Коттрелла.
Совокупность этих внедренных атомов может эффективно снизить энергию дислокации, одновременно препятствуя ее дальнейшему движению, и, таким образом, дислокация «закрепляется» атмосферой Коттрелла.
Атмосфера Коттрелла также оказывает важное влияние на механическое поведение материалов. Закрепление дислокации означает, что при комнатной температуре ее нелегко разоружить, и, таким образом, наблюдается верхний предел текучести на диаграмме напряжение-деформация. После достижения этого верхнего предела текучести закрепленные дислокации становятся источниками Франка-Рида, создавая новые, незакрепленные дислокации, которые могут свободно перемещаться, что приводит к деформации материала более пластичным образом. После периода старения верхний предел текучести восстанавливается по мере повторной диффузии атомов в ядро дислокации. Таким образом, атмосфера Коттрелла также способствует образованию зоны Людерса, которая становится технологическим препятствием при глубокой вытяжке и изготовлении больших листов.
Чтобы устранить влияние атмосферы Коттрелла, в некоторых специальных сталях удаляют все междоузельные атомы. Такие стали, как и стали без зазоров, подвергаются декарбонизации, и для удаления азота в них добавляется небольшое количество титана.
Исследования показали, что атмосфера Коттрелла и вызванное ею вязкостное сопротивление являются важным фактором высокотемпературной деформации, затрудняющим движение дислокаций.
Влияние атмосферы Коттрелла на поведение материалов при высоких эквивалентных температурах также чрезвычайно важно. Когда материал подвергается условиям ползучести, движение дислокаций, сопровождающее атмосферу Коттрелла, создает сопротивление, которое замедляет процесс пластической деформации. Эту силу сопротивления F_drag при определенных условиях можно представить следующим образом:
F_drag = (kTΩ) / (vD_sol) ∫ (J⋅J/c)dA
Здесь D_sol — коэффициент диффузии атомов растворенного вещества в основном материале, Ω — атомный объем, v — скорость дислокаций, J — плотность диффузионного потока, c — концентрация растворенного вещества. Наличие атмосферы Коттрелла и влияние вязкостного сопротивления оказались решающими в процессе высокотемпературной деформации при умеренном напряжении, а также заняли место в категории деградации степенного закона.
Аналогичное явление
Хотя атмосфера Коттрелла является универсальным эффектом, схожие механизмы возникают и в более особых условиях. Например, эффект Сузуки проявляется как сегрегация молекул растворенного вещества в направлении дефектов укладки. В гранецентрированных кубических системах, когда дислокация разделяется на две частичные дислокации, между двумя частями образуются гексагональные плотно упакованные дефекты, уложенные стопкой. Х. Судзуки предсказал, что концентрация атомов растворенного вещества на этой границе будет отличаться от концентрации в объеме, и поэтому пересечение поля этих атомов растворенного вещества также приведет к повышенному сопротивлению движению дислокаций, аналогичному эффекту атмосферы Коттрелла.
Кроме того, эффект Снука включает внутреннее трение, вызванное ближней миграцией междоузельных атомов растворенного вещества в решетке α-Fe при приложении напряжения, эффект, который также ярко выражен в материалах Портера или других легирующих материалах, увеличивая прочность и вязкость материала.
Материалы и возможности для будущих исследований
В таких материалах, как металлы и полупроводниковые материалы (например, кристаллы кремния), существуют дислокации, описываемые атмосферой Коттрелла, явление, которое имеет решающее значение для устойчивости металлов к деформации и их применений. В будущем, благодаря углубленному исследованию поведения материалов, можно будет изучить потенциал применения атмосферы Коттрелла в разработке новых материалов, а также разработать еще более совершенные сплавы для оптимизации свойств материалов.
Как именно будущее материаловедение будет использовать знания об атмосфере Коттрелла для улучшения свойств и прочности металлов?
