Укрепление границ зерен - Grain boundary strengthening

Рис. 1: Упрочнение Холла – Петча ограничено размером дислокаций. Как только размер зерна достигает примерно 10 нанометров (3,9 × 10 -7 дюймов  ), границы зерен начинают скользить.

Зерно-граничное упрочнение (или упрочнение Холла – Петча ) - это метод упрочнения материалов путем изменения их среднего размера кристаллитов (зерен). Он основан на наблюдении, что границы зерен являются непреодолимыми границами для дислокаций и что количество дислокаций в зерне влияет на то, как нарастает напряжение в соседнем зерне, что в конечном итоге активирует источники дислокаций и, таким образом, делает возможным деформацию в соседнем зерне. , тоже. Таким образом, изменяя размер зерна, можно влиять на количество дислокаций, скопившихся на границе зерен, и предел текучести . Например, термическая обработка после пластической деформации и изменение скорости затвердевания - это способы изменить размер зерна.

Теория

При зернограничном упрочнении границы зерен действуют как точки закрепления, препятствующие дальнейшему распространению дислокаций. Поскольку структура решетки соседних зерен различается по ориентации, дислокации требуется больше энергии, чтобы изменить направление и переместиться в соседнее зерно. Граница зерна также намного более неупорядочена, чем внутри зерна, что также препятствует движению дислокаций в плоскости непрерывного скольжения. Препятствие этому движению дислокации будет препятствовать наступлению пластичности и, следовательно, увеличит предел текучести материала.

Под действием приложенного напряжения существующие дислокации и дислокации, генерируемые источниками Франка – Рида, будут перемещаться через кристаллическую решетку до тех пор, пока не встретятся с границей зерен, где большое атомное несоответствие между различными зернами создает поле отталкивающих напряжений, препятствующих продолжающемуся движению дислокаций. По мере того, как все больше дислокаций распространяются к этой границе, происходит «скопление» дислокаций, поскольку кластер дислокаций не может пройти мимо границы. Поскольку дислокации создают поля напряжений отталкивания, каждая последующая дислокация будет применять силу отталкивания к дислокации, падающей на границу зерна. Эти силы отталкивания действуют как движущая сила для уменьшения энергетического барьера для диффузии через границу, так что дополнительное скопление вызывает диффузию дислокаций через границу зерен, что приводит к дальнейшей деформации материала. Уменьшение размера зерна уменьшает количество возможного скопления на границе, увеличивая величину приложенного напряжения, необходимого для перемещения дислокации через границу зерна. Чем выше приложенное напряжение, необходимое для перемещения дислокации, тем выше предел текучести. Таким образом, существует обратная зависимость между размером зерна и пределом текучести, как демонстрирует уравнение Холла – Петча. Однако при большом изменении направления ориентации двух соседних зерен дислокация не обязательно может перемещаться от одного зерна к другому, а вместо этого создает новый источник дислокации в соседнем зерне. Теория остается той же, что большее количество границ зерен создает большее сопротивление движению дислокаций и, в свою очередь, укрепляет материал.

Очевидно, что у этого режима упрочнения есть предел, поскольку бесконечно прочные материалы не существуют. Размер зерен может варьироваться от примерно 100 мкм (0,0039 дюйма) (крупные зерна) до 1 мкм (3,9 × 10 -5 дюймов  ) (мелкие зерна). Ниже этого размера дислокации начинают приближаться к размеру зерен. При размере зерна около 10 нм (3,9 × 10 -7 дюймов  ) только одна или две дислокации могут поместиться внутри зерна (см. Рисунок 1 выше). Эта схема запрещает скопление дислокаций и вместо этого приводит к диффузии по границам зерен . Решетка снимает приложенное напряжение за счет скольжения по границам зерен, что приводит к снижению предела текучести материала.

Чтобы понять механизм упрочнения границ зерен, необходимо понять природу дислокационно-дислокационных взаимодействий. Дислокации создают вокруг себя поле напряжений, определяемое:

где G - модуль сдвига материала , b - вектор Бюргерса , а r - расстояние от дислокации. Если дислокации расположены правильно по отношению друг к другу, создаваемые ими локальные поля напряжений будут отталкиваться друг от друга. Это способствует перемещению дислокаций вдоль зерен и через границы зерен. Следовательно, чем больше дислокаций присутствует в зерне, тем большее поле напряжений испытывает дислокация вблизи границы зерна:

Это схематическое изображение, примерно показывающее концепцию образования дислокаций и то, как это влияет на прочность материала. Материал с большим размером зерна может иметь больше дислокаций, что приводит к большей движущей силе для перемещения дислокаций от одного зерна к другому. Таким образом, вам придется приложить меньшую силу, чтобы переместить дислокацию из большего, чем из меньшего зерна, в результате чего материалы с меньшими зернами будут демонстрировать более высокий предел текучести.

Укрепление субзерен

Субзерно - это часть зерна, которая лишь слегка дезориентирована по отношению к другим частям зерна. В настоящее время проводятся исследования, чтобы увидеть эффект упрочнения субзерен в материалах. В зависимости от обработки материала внутри зерен материала могут образовываться субзерна. Например, когда материал на основе Fe измельчается в шаровой мельнице в течение длительных периодов времени (например, 100+ часов), образуются субзерна размером 60–90 нм. Было показано, что чем выше плотность субзерен, тем выше предел текучести материала из-за увеличенной границы субзерен. Было обнаружено, что прочность металла обратно пропорциональна размеру субзерен, что аналогично уравнению Холла – Петча. Граничное упрочнение субзерен также имеет точку разрушения примерно с размером субзерен 0,1 мкм, то есть размером, при котором любые субзерна меньше этого размера будут снижать предел текучести.

Отношения Холла-Петча

Константы Холла – Петча
Материал σ 0 [МПа] k [МПа м 1/2 ]
Медь 25 0,12
Титана 80 0,40
Мягкая сталь 70 0,74
Ni 3 Al 300 1,70

Существует обратная зависимость между дельта-пределом текучести и размером зерна от некоторой степени x .

где k - коэффициент усиления, а k и x зависят от материала. Предполагая узкое монодисперсное распределение зерен по размерам в поликристаллическом материале, чем меньше размер зерна, тем меньше напряжение отталкивания, которое испытывает зернограничная дислокация, и тем выше прилагаемое напряжение, необходимое для распространения дислокаций через материал.

Связь между пределом текучести и размером зерна математически описывается уравнением Холла – Петча:

где σ y - предел текучести, σ 0 - константа материала для начального напряжения для движения дислокации (или сопротивления решетки движению дислокации), k y - коэффициент упрочнения (константа, специфичная для каждого материала), а d - средний диаметр зерна. Важно отметить, что соотношение HP является эмпирическим соответствием экспериментальным данным, и что представление о том, что длина наложения в половину диаметра зерна вызывает критическое напряжение для передачи или генерации в соседнем зерне, не было подтверждено фактическими наблюдениями. в микроструктуре.

Теоретически материал можно было бы сделать бесконечно прочным, если бы зерна были бесконечно маленькими. Однако это невозможно, потому что нижний предел размера зерна составляет одну элементарную ячейку материала. Даже в этом случае, если зерна материала имеют размер одной элементарной ячейки, тогда материал фактически является аморфным, а не кристаллическим, поскольку отсутствует дальний порядок, и в аморфном материале нельзя определить дислокации. Экспериментально было обнаружено, что микроструктура с наивысшим пределом текучести имеет размер зерна около 10 нм (3,9 × 10 -7 дюймов  ), потому что зерна меньшего размера подвергаются другому механизму текучести - зернограничному скольжению . Производство технических материалов с таким идеальным размером зерна затруднено, потому что с зерном такого размера можно надежно получить только тонкие пленки. В материалах с бидисперсным распределением зерен по размеру, например, в материалах с аномальным ростом зерен , механизмы упрочнения не строго следуют соотношению Холла-Петча, и наблюдается дивергентное поведение.

История

В начале 1950-х независимо друг от друга были написаны две революционные серии статей о взаимосвязи между границами зерен и прочностью.

В 1951 году, в то время как в Университете Шеффилда, Э. О. Холл написал три статьи, которые появились в 64 томе Proceedings of the Physical Society . В своей третьей статье Холл показал, что длина полос скольжения или длина трещин соответствуют размеру зерна, и, таким образом, между ними может быть установлена ​​связь. Холл сосредоточился на податливости мягких сталей .

Основываясь на своей экспериментальной работе, выполненной в 1946–1949 годах, NJ Petch из Университета Лидса , Англия, опубликовал в 1953 году статью, независимую от работы Холла. В статье Петча больше внимания уделяется хрупкому разрушению . Измеряя изменение прочности на раскалывание в зависимости от размера ферритных зерен при очень низких температурах, Петч обнаружил зависимость, точно аналогичную соотношению Холла. Таким образом, эти важные отношения названы в честь Холла и Петча.

Обратное или обратное соотношение Холла – Петча

Соотношение Холла – Петча предсказывает, что с уменьшением размера зерна предел текучести увеличивается. Экспериментально было обнаружено, что соотношение Холла – Петча является эффективной моделью для материалов с размером зерен от 1 миллиметра до 1 микрометра. Следовательно, считалось, что если средний размер зерна может быть уменьшен еще больше до нанометровой шкалы длины, предел текучести также увеличится. Однако эксперименты со многими нанокристаллическими материалами показали, что если зерна достигают достаточно малого размера, критический размер зерна, который обычно составляет около 10 нм (3,9 × 10 -7 дюймов  ), предел текучести либо останется постоянным, либо уменьшится с уменьшением размера зерна. . Это явление получило название обратного или обратного соотношения Холла – Петча. Для этой связи был предложен ряд различных механизмов. По предположению Карлтона и др. , они делятся на четыре категории: (1) на основе дислокаций, (2) на основе диффузии, (3) на основе зернограничного сдвига, (4) на основе двух фаз.

Было выполнено несколько работ по исследованию механизма обратной зависимости Холла-Петча на множестве материалов. В работе Хана была проведена серия моделирования молекулярной динамики для исследования влияния размера зерна на механические свойства нанокристаллического графена при одноосной растягивающей нагрузке со случайными формами и случайной ориентацией графеновых колец. Моделирование проводилось при размере зерна нм и при комнатной температуре. Было обнаружено, что при размере зерен от 3,1 нм до 40 нм наблюдалась обратная зависимость Холла-Петча. Это связано с тем, что при уменьшении размера зерна в нанометровом масштабе увеличивается плотность стыков границ зерен, что служит источником роста трещин или слабого связывания. Однако также было замечено, что при размере зерен менее 3,1 нм наблюдалась псевдо-зависимость Холла-Петча, что приводит к увеличению прочности. Это происходит из-за уменьшения концентрации напряжений в стыках границ зерен, а также из-за распределения напряжений 5-7 дефектов вдоль границы зерен, где сжимающие и растягивающие напряжения создаются пятиугольными и семиугольными кольцами и т. Д. Chen et al. провели исследования обратных соотношений Холла-Петча для высокоэнтропийных сплавов CoNiFeAlxCu1-x. В работе были построены поликристаллические модели CoNiFeAl0.3Cu0.7 с ГЦК-структурой с размером зерен от 7,2 до 18,8 нм для выполнения одноосного сжатия с использованием молекулярно-динамического моделирования. Все симуляции сжатия были выполнены после задания периодических граничных условий по трем ортогональным направлениям. Было обнаружено, что при размере зерна менее 12,1 нм наблюдается обратное соотношение Холла-Петча. Это связано с тем, что по мере уменьшения размера зерна частичные дислокации становятся менее заметными и, следовательно, происходит деформационное двойникование. Вместо этого было замечено, что происходит изменение ориентации зерен и миграция границ зерен, что вызывает рост и сжатие соседних зерен. Это механизмы обратных соотношений Холла-Петча. Sheinerman et al. также изучено обратное соотношение Холла-Петча для нанокристаллической керамики. Было обнаружено, что критический размер зерна для перехода от прямого Холла-Петча к обратному Холл-Петчу существенно зависит от энергии активации зернограничного скольжения. Это связано с тем, что при прямом методе Холла-Петча преобладающим механизмом деформации является движение дислокаций внутри зерен, а при обратном механизме Холла-Петча доминирующим механизмом является зернограничное скольжение. Был сделан вывод, что, построив график как объемной доли зернограничного скольжения, так и объемной доли движения внутризеренной дислокации в зависимости от размера зерна, можно найти критический размер зерна в месте пересечения двух кривых.


Другие объяснения, которые были предложены для объяснения видимого размягчения металлов с наноразмерными зернами, включают плохое качество образца и подавление скоплений дислокаций.

Скопление дислокаций на границах зерен - отличительный механизм зависимости Холла – Петча. Однако, как только размер зерна упадет ниже равновесного расстояния между дислокациями, это соотношение больше не будет действительным. Тем не менее, не совсем ясно, какой именно должна быть зависимость предела текучести от размеров зерен ниже этой точки.

Утонченность зерна

Утончение зерна, также известное как модифицирование , представляет собой набор методов, используемых для упрочнения границ зерен в металлургии . Конкретные методы и соответствующие механизмы будут варьироваться в зависимости от рассматриваемых материалов.

Одним из методов контроля размера зерен в алюминиевых сплавах является введение частиц, которые служат в качестве зародышей, таких как Al – 5% Ti. Зерна будут расти за счет гетерогенного зародышеобразования ; то есть при заданной степени переохлаждения ниже температуры плавления частицы алюминия в расплаве будут зарождаться на поверхности добавленных частиц. Зерна будут расти в виде дендритов, растущих радиально от поверхности зародыша. Затем могут быть добавлены частицы растворенного вещества (называемые измельчителями зерна), которые ограничивают рост дендритов, что приводит к измельчению зерна. Сплавы Al-Ti-B являются наиболее распространенными измельчителями зерна для сплавов Al; однако были предложены новые рафинеры, такие как Al 3 Sc.

Один из распространенных методов - заставить очень небольшую часть расплава затвердеть при гораздо более высокой температуре, чем остальная часть; это приведет к образованию затравочных кристаллов, которые действуют как шаблон, когда остальная часть материала упадет до своей (более низкой) температуры плавления и начнет затвердевать. Поскольку присутствует огромное количество крохотных затравочных кристаллов, получается почти равное количество кристаллитов, а размер любого отдельного зерна ограничен.

Типичные модификаторы для различных литейных сплавов
Металл Инокулянт
Чугун FeSi, SiCa, графит
Mg сплавы Zr, C
Медные сплавы Fe, Co, Zr
Сплавы Al – Si P, Ti, B, Sc
Pb сплавы As, Te
Цинковые сплавы Ti
Ti сплавы Al - Ti интерметаллиды

Смотрите также

Рекомендации

Библиография

  • Смит, Уильям Ф .; Хашеми, Джавад (2006), Основы материаловедения и инженерии (4-е изд.), McGraw-Hill, ISBN   978-0-07-295358-9 .

Внешние ссылки