Portevin–Le Chatelier-effekt
Portevin -Le Chatelier (PLC)-effekten beskriver en tandad spännings-töjningskurva eller ryckigt flöde, som vissa material uppvisar när de genomgår plastisk deformation , särskilt inhomogen deformation . Denna effekt har länge varit förknippad med dynamiskt åldrande av stamceller eller konkurrensen mellan diffuserande lösta ämnen som fäster dislokationer och dislokationer som bryter sig loss från detta stopp.
Början av PLC-effekten inträffar när töjningshastighetskänsligheten blir negativ och inhomogen deformation startar. Denna effekt kan också uppträda på provets yta och i band av plastisk deformation. Denna process startar vid en så kallad kritisk töjning , vilket är den minsta töjning som behövs för uppkomsten av serrationerna i spännings-töjningskurvan. Den kritiska töjningen är både temperatur- och töjningshastighetsberoende. Förekomsten av en kritisk stam tillskrivs bättre diffusivitet för lösta ämnen på grund av deformationen som skapade vakanser och ökad mobil dislokationstäthet. Båda dessa bidrar till instabiliteten i substitutionslegeringar, medan interstitiella legeringar endast påverkas av ökningen av mobila dislokationsdensiteter.
Historia
Även om effekten är uppkallad efter Albert Portevin och François Le Chatelier, var de inte de första som upptäckte den. Félix Savart gjorde upptäckten när han observerade icke-homogen deformation under ett dragprov av kopparremsor. Han dokumenterade de fysiska serrationerna i sina prover som för närvarande är kända som Portevin–Le Chatelier-band. En elev till Savart, Antoine Masson, upprepade experimentet medan han kontrollerade laddningshastigheten. Masson observerade att under en konstant belastningshastighet skulle proverna uppleva plötsliga stora förändringar i förlängning (så stora som några millimeter).
Underliggande fysik
Mycket av den underliggande fysiken för Portevin-Le Chatelier-effekten ligger i ett specifikt fall av krypning av lösta ämnen. Att lägga till lösta atomer till en ren kristall introducerar en storleksfelpassning i systemet. Denna storleksfelpassning leder till begränsning av dislokationsrörelse. Vid låg temperatur är dessa lösta atomer orörliga i gittret, men vid höga temperaturer blir de lösta atomerna rörliga och interagerar på ett mer komplext sätt med dislokationerna. När lösta atomer är rörliga och dislokationshastigheten inte är för hög, kan de lösta atomerna och dislokationen röra sig tillsammans där den lösta atomen minskar dislokationens rörelse.
Portevin-Le Chatelier-effekten uppträder i det specifika fallet där krypning av löst ämne förekommer och det finns en applicerad spänning, med ett materialberoende område, på provet. Den applicerade spänningen gör att hastigheten för dislokationerna ökar, vilket gör att dislokationen kan flytta sig bort från det lösta ämnet. Denna process kallas vanligtvis "utbrytning". När dislokationen väl har rört sig bort från det lösta ämnet, minskar spänningen på det vilket gör att dess hastighet minskar. Detta gör att de lösta atomerna kan "komma ikapp" med dislokationen. Så snart den lösta atomen kommer ikapp ökar stressen på dislokationen avsevärt, vilket gör att processen upprepas.
De cykliska förändringarna som beskrivits ovan ger tandningar i plastområdet i spänningstöjningsdiagrammet för ett dragprov som genomgår Portevin-Le Chatelier-effekten. Variationen i påkänning gör också att icke-homogen deformation uppstår genom hela provet, vilket kan vara synligt för blotta ögat genom observation av en grov finish.
Förhållanden som påverkar PLC-effekten
Temperatur
Temperaturen påverkar både hastigheten för bandets utbredning genom materialet och den kritiska töjningen. Bandets utbredningshastighet är proportionell mot temperaturen (lägre temp lägre hastigheter, högre temp högre hastigheter). Ofta kommer den kritiska belastningen först att minska på grund av temperaturen. Temperatureffekten på PLC-regimen orsakas av de lösta ämnenas ökade förmåga att diffundera till dislokationerna med ökande temperatur. Även om diffusionsmekanismen inte är helt klarlagd, tros det att lösta atomer diffunderar antingen med volym (hög temperatur), genom diffusion i stapling av förkastningsband mellan partiella dislokationer (mellantemperatur) eller rördiffusion (låg temperatur).
Töjningshastighet
Medan temperaturen är relaterad till diffusionshastigheten, bestämmer töjningshastigheten den tid det tar för dislokationerna att övervinna dessa hinder, och har en dramatisk effekt på förhållandena för PLC-effekten. Så generellt kommer den kritiska spänningen att minska med pålagd töjningshastighet. Ju högre påkänningshastighet, desto lägre bandhastighet.
Fälls ut
Fällningar , som ofta finns i Al-legeringar (särskilt av Mg-sorten), komplicerar PLC-effekten.
Ofta kommer dessa fällningar att orsaka det så kallade omvända beteendet, vilket förändrar effekten av både töjningshastighet och temperatur på det fasta ämnet. Närvaron av fällningar har visat sig ha en inverkan på uppkomsten och försvinnandet av tandningar i spänningstöjningskurvan.
Kornstorlek
Materialets struktur har också en effekt på utseendet och parametrarna som beskriver PLC-effekten. Till exempel är storleken på spänningsfallen större med en mindre kornstorlek. Den kritiska töjningen ökar ofta med större korn, vilket är kopplat till luxationsdensitetens beroende av kornstorleken. Tandningsamplituden är större i Al-Mg-legeringar för en finare kornstorlek. Det finns ett samband mellan att öka den kritiska stammen och början av serration med ökande kornstorlek. Men vissa fynd tyder på att kornstorleken praktiskt taget inte har någon effekt på bandhastigheten eller bandbredden.
Materialfinish
Att polera materialet påverkar början av PLC-effekten och bandhastigheterna. Tydligen ger en grövre yta fler kärnbildningspunkter för hög spänning, vilket hjälper till att initiera deformationsband . Dessa band sprider sig också dubbelt så snabbt i det polerade provet.
Icke effekter
Antalet lediga jobb påverkar inte direkt PLC:s startpunkt. Det visade sig att om ett material förspänns till ett värde ½ av det som krävs för att initiera ett ryckigt flöde och sedan vilar vid testtemperaturen eller glödgas för att ta bort vakanser (men tillräckligt lågt för att dislokationsstrukturen inte påverkas), då Den totala kritiska töjningen minskar endast något liksom de typer av serrationer som förekommer.
Serrationsbeskrivningar
Medan egenskaper som töjningshastighetskänslighet och kritisk töjning markerar början på PLC-effekten, har människor utvecklat ett system för att beskriva själva serrationerna. Dessa typer är ofta beroende av töjningshastighet, temperatur och kornstorlek. Även om banden vanligtvis är märkta A, B och C, har vissa källor lagt till band av typ D och E. Eftersom banden av typ A, B och C finns mest i litteraturen kommer de att vara de enda som tas upp här.
Typ A-band
Typ A-band ses ofta vid hög töjningshastighet och låga temperaturer. De är en slumpmässig utveckling av band som bildas över hela exemplaret. De brukar beskrivas som att de fortplantar sig kontinuerligt med små stressdroppar.
Typ B-band
Typ B-band beskrivs ibland som "hoppande" band och de uppträder med medelhöga till höga töjningshastigheter. De ses ofta som att varje band bildas före det föregående på ett rumsligt korrelerat sätt. Tandningarna är mer oregelbundna med mindre amplituder än typ C.
Typ C-band
C-band ses ofta vid låg påförd töjningshastighet eller höga temperaturer. Dessa identifieras med slumpmässiga kärnförsedda statiska band med stor karakteristisk spänning sänker serrationen.
Andra anteckningar om bandtyper
De olika typerna av band tros representera olika tillstånd av dislokation i banden, och bandtyper kan förändras i en materialspänningstöjningskurva. För närvarande finns det inga modeller som kan fånga förändringen i bandtyper
Portevin-Le Chatelier (PLC) effekt är ett bevis på ojämn deformation av CuNi25 kommersiella legeringar vid mellantemperatur. I CuNi25-legering visar det sig som ojämnheter i form av tandningar på spännings-töjningskurvan. Det bevisar instabilitet av kraft under spänning och heterogenitet av mikrostruktur och närvaro av många heterogena faktorer, vilket påverkar dess mekaniska egenskaper.
Problem orsakade av PLC-effekten
Eftersom PLC-effekten är relaterad till en förstärkningsmekanism kan stålets hållfasthet öka; plasticiteten och duktiliteten hos ett material som påverkas av PLC-effekten minskar dock drastiskt. PLC-effekten är känd för att inducera blå sprödhet i stål; dessutom kan förlusten av duktilitet orsaka att ojämna ytor utvecklas under deformation (Al-Mg-legeringar är särskilt känsliga för detta), vilket gör dem oanvändbara för bilkarosser eller gjutningsapplikationer.