Language
Country/Area
No result found
Tại sao một số kim loại lại có khả năng chống biến dạng? Khám phá bí ẩn về bầu khí quyển Cottrell!
Trong khoa học vật liệu, khái niệm về khí quyển Cottrell lần đầu tiên được A. H. Cottrell và B. A. Bilby đề xuất vào năm 1949 để giải thích cách các vị trí sai lệch trong một số kim loại được cố định bởi các nguyên tử xen kẽ như bo, cacbon hoặc nitơ. Hiện tượng này xảy ra ở các vật liệu có cấu trúc lập phương tâm khối (BCC) và lập phương tâm mặt (FCC), chẳng hạn như sắt hoặc niken, trong đó có sự hiện diện của các nguyên tử tạp chất nhỏ. Những nguyên tử xen kẽ này làm biến dạng nhẹ mạng tinh thể và tạo ra trường ứng suất dư xung quanh nó. Trường ứng suất này được giải tỏa khi các nguyên tử xen kẽ khuếch tán về phía vị trí sai lệch, và do đó, sau khi các nguyên tử khuếch tán vào lõi vị trí sai lệch, chúng vẫn tồn tại trong một thời gian dài, hình thành nên bầu khí quyển Cottrell.
Việc tập hợp các nguyên tử xen kẽ này có thể làm giảm hiệu quả năng lượng của sự sai lệch trong khi cản trở chuyển động tiếp theo của sự sai lệch, do đó, sự sai lệch được "kẹp" bởi bầu khí quyển Cottrell.
Bầu khí quyển Cottrell cũng có tác động quan trọng đến hành vi cơ học của vật liệu. Sự ghim của vị trí sai lệch có nghĩa là, ở nhiệt độ phòng, vị trí sai lệch không dễ bị phá vỡ, do đó, điểm giới hạn chảy trên trong biểu đồ ứng suất - biến dạng được quan sát thấy. Sau điểm giới hạn chảy trên này, các vị trí sai lệch được ghim lại trở thành nguồn Frank–Read, tạo ra các vị trí sai lệch mới, không được chốt và có thể di chuyển tự do, dẫn đến biến dạng vật liệu theo cách dẻo hơn. Sau một thời gian xử lý lão hóa, điểm giới hạn trên được phục hồi khi các nguyên tử khuếch tán trở lại vào lõi của vị trí sai lệch. Do đó, bầu khí quyển Cottrell cũng tạo ra sự hình thành vùng Lüders, trở thành trở ngại trong sản xuất khi kéo giãn sâu và tạo ra các tấm lớn.
Để loại bỏ tác động của bầu khí quyển Cottrell, một số loại thép đặc biệt loại bỏ tất cả các nguyên tử xen kẽ. Những loại thép này như thép không khe hở được khử cacbon và thêm một lượng nhỏ titan để loại bỏ nitơ.
Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng bầu khí quyển Cottrell và sức cản độ nhớt do nó gây ra là một yếu tố quan trọng trong biến dạng nhiệt độ cao, khiến chuyển động trật khớp trở nên khó khăn hơn.
Ảnh hưởng của bầu khí quyển Cottrell đến hành vi vật liệu ở nhiệt độ tương đương cao cũng cực kỳ quan trọng. Khi vật liệu trải qua điều kiện biến dạng, chuyển động sai lệch đi kèm với khí quyển Cottrell sẽ tạo ra lực cản, làm chậm quá trình biến dạng dẻo. Lực cản F_drag này có thể được biểu diễn bằng công thức sau trong một số điều kiện nhất định:
F_kéo = (kTΩ) / (vD_sol) ∫ (J⋅J/c)dA
Trong đó D_sol là độ khuếch tán của các nguyên tử chất tan trong vật liệu cơ bản, Ω là thể tích nguyên tử, v là vận tốc của các vị trí lệch, J là mật độ thông lượng khuếch tán và c là nồng độ chất tan. Sự hiện diện của bầu khí quyển Cottrell và ảnh hưởng của độ nhớt trở nên rất quan trọng trong quá trình biến dạng ở nhiệt độ cao dưới ứng suất vừa phải và cũng chiếm một vị trí trong phạm trù suy thoái của định luật lũy thừa.
Hiện tượng tương tự
Mặc dù bầu khí quyển Cottrell là hiệu ứng phổ quát, các cơ chế liên quan tương tự cũng xuất hiện khi các điều kiện đặc biệt hơn. Ví dụ, hiệu ứng Suzuki biểu hiện dưới dạng sự phân tách các phân tử chất tan theo hướng xếp chồng các khuyết tật. Trong hệ lập phương tâm mặt, khi một sai lệch tách thành hai sai lệch cục bộ, các khuyết tật xếp chồng hình lục giác chặt chẽ được hình thành giữa hai phần. H. Suzuki dự đoán rằng nồng độ các nguyên tử chất tan tại ranh giới này sẽ khác với nồng độ trong thể tích, do đó việc băng qua trường của các nguyên tử chất tan này cũng sẽ tạo ra lực cản lớn hơn đối với chuyển động lệch vị trí, tương tự như hiệu ứng của khí quyển Cottrell.
Ngoài ra, hiệu ứng Snoek liên quan đến ma sát bên trong được tạo ra bởi sự di chuyển tầm ngắn của các nguyên tử chất tan xen kẽ trong mạng α-Fe khi có ứng suất tác dụng, một hiệu ứng cũng được thể hiện rõ trong Porter hoặc các vật liệu hợp kim khác, làm tăng độ bền và độ dẻo dai của vật liệu.
Vật liệu và khả năng khám phá trong tương lai
Có những sự sai lệch được mô tả bởi bầu khí quyển Cottrell trong các vật liệu như kim loại và vật liệu bán dẫn (ví dụ: tinh thể silicon), một hiện tượng rất quan trọng đối với khả năng chống biến dạng của kim loại và các ứng dụng của chúng. Trong tương lai, với nghiên cứu chuyên sâu về hành vi vật liệu, tiềm năng ứng dụng của khí quyển Cottrell trong thiết kế vật liệu mới có thể được khám phá và thậm chí có thể phát triển các hợp kim tiên tiến hơn để tối ưu hóa các đặc tính của vật liệu.
Khoa học vật liệu trong tương lai sẽ sử dụng kiến thức về khí quyển Cottrell như thế nào để cải thiện các tính chất và độ bền của kim loại?
