Stacking-fel energi

Stacking -fault energy (SFE) är en materialegenskap i mycket liten skala. Det noteras som γ SFE i energienheter per area.

Ett staplingsfel är ett avbrott i den normala staplingssekvensen av atomplan i en tätpackad kristallstruktur . Dessa avbrott bär en viss staplingsfelenergi. Bredden på staplingsförkastningen är en följd av balansen mellan den repulsiva kraften mellan två partiella dislokationer å ena sidan och den attraktionskraft som beror på staplingsförkastningens ytspänning å andra sidan. Jämviktsbredden bestäms således delvis av staplingsfelsenergin. När SFE är hög är dissociationen av en fullständig dislokation i två partier energimässigt ogynnsam, och materialet kan deformeras antingen genom dislokationsglidning eller tvärglidning. Lägre SFE-material uppvisar bredare staplingsfel och har svårare att glida. SFE modifierar förmågan hos en dislokation i en kristall att glida på ett korsande glidplan . När SFE är låg minskar rörligheten av dislokationer i ett material.

Material Mässing Rostfritt stål Ag ( Silver ) Au Si ( kisel ) Ni ( Nickel ) Cu ( koppar ) Mg ( magnesium ) Al ( aluminium )
SFE ( mJ m −2 ) <10 <10 25 75 >42 90 70-78 125 160-250

Staplingsfel och staplingsfelenergi

Ett staplingsfel är en oregelbundenhet i den plana staplingssekvensen av atomer i en kristall – i FCC-metaller är den normala staplingssekvensen ABCABC etc., men om ett staplingsfel introduceras kan det introducera en oregelbundenhet som ABCBCABC i den normala staplingssekvensen. Dessa ojämnheter bär en viss energi som kallas staplingsfelenergi.

Influenser på stapling av felenergi

En graf över hur SFE snabbt minskar med innehåll av zinklegering . Data hämtade från.
En graf över hur SFE snabbt minskar med innehåll av aluminiumlegering . Data hämtade från.

Staplingsförkastningsenergin påverkas kraftigt av några få viktiga faktorer, särskilt basmetall, legeringsmetaller, procent av legeringsmetaller och valens-elektron till atom-förhållande.

Legeringselement påverkar SFE

Det har länge konstaterats att tillsatsen av legeringselement avsevärt sänker SFE för de flesta metaller. Vilket element och hur mycket som tillsätts påverkar dramatiskt SFE för ett material. Figurerna till höger visar hur SFE för koppar sänks med tillägg av två olika legeringselement; zink och aluminium. I båda fallen minskar SFE för mässing med ökande legeringshalt. Emellertid minskar SFE för Cu-Al-legeringen snabbare och når ett lägre minimum.

e/a-förhållande

En annan faktor som har en signifikant effekt på SFE för ett material och är mycket relaterad till legeringsinnehållet är e/a-förhållandet, eller förhållandet mellan valenselektroner och atomer. Thornton visade detta 1962 genom att plotta e/a-förhållandet vs SFE för några Cu-baserade legeringar. Han fann att förhållandet valens-elektron till atom är en bra prediktor för stapling av felenergi, även när legeringselementet ändras. Detta stöder direkt graferna till höger. Zink är ett tyngre grundämne och har bara två valenselektroner, medan aluminium är lättare och har tre valenselektroner. Således har varje viktprocent aluminium en mycket större inverkan på den Cu-baserade legeringens SFE än zink.

Effekter av staplingsfelenergi på deformation och textur

De två primära metoderna för deformation i metaller är glidning och twinning. Slirning sker genom dislokationsglidning av antingen skruv- eller kantdislokationer inom ett glidplan. Halk är den absolut vanligaste mekanismen. Twinning är mindre vanligt men uppstår lätt under vissa omständigheter.

Twinning sker när det inte finns tillräckligt med glidsystem för att ta emot deformation och/eller när materialet har en mycket låg SFE. Tvillingar är rikliga i många låga SFE-metaller som kopparlegeringar, men ses sällan i hög SFE-metaller som aluminium.

För att klara stora töjningar utan att spricka måste det finnas minst fem oberoende och aktiva glidsystem. När tvärglidning ofta förekommer och vissa andra kriterier är uppfyllda, behövs ibland bara tre oberoende glidsystem för att ta emot stora deformationer.

På grund av de olika deformationsmekanismerna i material med hög och låg SFE, utvecklar de olika texturer.

Material med hög SFE

Material med hög SFE deformeras genom glidning av fulla dislokationer. Eftersom det inte finns några staplingsfel, kan skruvförskjutningarna glida över. Smallman fann att tvärglidning sker under låg stress för material med hög SFE som aluminium (1964). Detta ger en metall extra duktilitet eftersom det med cross-slip behöver bara tre andra aktiva glidsystem för att utsättas för stora påfrestningar. Detta gäller även när kristallen inte är idealiskt orienterad.

Material med hög SFE behöver därför inte ändra orientering för att klara stora deformationer på grund av tvärglidning. Viss omorientering och texturutveckling kommer att inträffa när kornen rör sig under deformation. Omfattande tvärglidning på grund av stor deformation orsakar också viss kornrotation. Emellertid är denna omorientering av korn i material med hög SFE mycket mindre utbredd än i material med låg SFE.

Material med låg SFE

Material med låg SFE dubblerar och skapar partiella dislokationer. Partialer bildas istället för skruvförskjutningar. Skruvar som finns kan inte glida tvärs över staplingsfel, även under höga påkänningar. Fem eller fler glidsystem måste vara aktiva för att stora deformationer ska uppstå på grund av frånvaron av tvärglidning. För både <111> och <100> riktningarna finns det sex respektive åtta olika glidsystem. Om lastning inte appliceras nära någon av dessa riktningar kan fem slipsystem vara aktiva. I det här fallet måste andra mekanismer också finnas på plats för att klara stora påfrestningar.

Material med låg SFE dubblar också vid ansträngning. Om deformationssammansättning kombineras med regelbunden skjuvdeformation kommer kornen så småningom att riktas mot en mer föredragen orientering. När många olika korn passar ihop skapas en mycket anisotrop textur.

Anteckningar

  1. ^ A. Kelly och KM Knowles, Crystallography and Crystal Defects , John Wiley & Sons, Ltd, Chichester, 2nd edn., 2012, kap. 9, s. 269–304.
  2. ^ a b c d e f   Hertzberg, Richard W.; Vinci, Richard P.; Hertzberg, Jason L. (2013). Deformations- och brottmekanik för tekniska material . John Wiley & Sons, Inc. sid. 80. ISBN 978-0-470-52780-1 .
  3. ^ Luc Remy. Doktorsavhandling, Universite de Paris-Sud, Orsay, Frankrike, 1975.
  4. ^ Venables, JA (1964). Elektronmikroskopin av deformationssamverkan. Journal of physics and chemistry solids, 25, 685-690.
  5. ^ Zhao, YH, Liao, YY, Zhu, YT (2005). Inverkan av stapling av felenergi på nanostruktur under högtrycksvridning. Materialvetenskap och teknik A, 410-411, 188-193.
  6. ^ NV Ravi Kumar et al., Kornförfining i AZ91 magnesiumlegering under termomekanisk bearbetning , Material och teknik A359 (2003), 150-157.
  7. ^ Lawrence E. Murr. Gränssnittsfenomen i metaller och legeringar. Addison-Wesley Pub. Co., 1975.
  8. ^ a b c Rohatgi, A., Vecchio, K., Gray, G., (2001). Inverkan av staplingsfelenergi på Cu- och Cu-Al-legeringens mekaniska beteende: Deformationssammansättning, arbetshärdning och dynamisk återhämtning. Metallurgiska och materialtransaktioner A 32A, 135-145.
  9. ^ Zhao, YH, Liao, YY, Zhu, YT (2005). Inverkan av stapling av felenergi på nanostruktur under högtrycksvridning. Materialvetenskap och teknik A, 410-411, 188-193.
  10. ^ a b c Venables, JA (1964). Elektronmikroskopin av deformationssamverkan. Journal of physics and chemistry solids, 25, 685-690.
  11. ^ a b Johari, O., Thomas, G., (1964). Substrat i explosivt deformerade Cu- och CU-Al-legeringar. Acta Metallurgica 12, (10), 1153-1159.
  12. ^ a b Thornton, PR, Mitchell, TE, Hirsch, PB, (1962). Cross-slips beroende av stapling av felenergi i ytcentrerade kubiska metaller och legeringar. Philosophical Magazine, 7, (80), 1349-1369.
  13. ^ El-Danaf, E., (2012). Mekaniska egenskaper, mikrostruktur och mikrotexturutveckling för 1050AA deformerad genom likakanalsvinkelpressning (ECAP) och efter ECAP plantöjningskompression med två belastningsscheman. Materials and Design, 34, 793-807.
  14. ^ Zhao, YH, Liao, YY, Zhu, YT, (2005). Inverkan av stapling av felenergi på nanostrukturbildning under högtrycksvridning. Materialvetenskap och teknik A, 410-411, 188-193.
  15. ^ a b c Dillamore, I., Butler, E., Green, D., (1968). Kristallrotationer under förhållanden av pålagd belastning och påverkan av twinning och tvärglidning. Metal Science Journal, 2 (1), 161-167.
  16. ^ a b Groves, G., Kelly, A., (1963). Oberoende glidsystem i kristaller. Philosophical Magazine, 8 (89), 877-887.
  17. ^ a b Smallman, R., Green, D., (1964). Rullande texturs beroende av staplingsfelenergi. Acta Metallurgica, 12 (2), 145-154.
  18. ^ Heye, W., Wassermann, G., (1966). Mekanisk tvilling i kallvalsade silverkristaller. Physica Status Solidi, 18 (2), K107-K111.
Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Stacking-fault_energy&oldid=1054545810 "