Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Рисунок 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 обработкапосле пластической деформации и изменения скорости затвердевания - это способы изменить размер зерна. [1]

Теория [ править ]

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, создаваемые источниками Франка – Ридабудет двигаться через кристаллическую решетку до тех пор, пока не встретит границу зерен, где большое атомное несоответствие между различными зернами создает поле отталкивающих напряжений, препятствующих продолжающемуся движению дислокации. 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,увеличение величины 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.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.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.дислокация не обязательно может перемещаться от одного зерна к другому, но 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.дислокация не обязательно может перемещаться от одного зерна к другому, но 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  ) [2] 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 иллюстрирующее концепцию образования дислокаций и то, как это влияет на прочность материала. Материал с большим размером зерна может накапливать 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, что приводит к тому, что материалы с меньшими зернами демонстрируют более высокий предел текучести.

Укрепление субзерен [ править ]

Субзерно - это часть зерна, которая лишь слегка дезориентирована по отношению к другим частям зерна. [3]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, который представляет собой размер, при котором любые субзерна меньше этого размера будут снижать предел текучести. [4]

Отношения Холла-Петча [ править ]

Константы Холла – Петча [5]
Материалσ 0 [МПа]k [МПа м 1/2 ]
Медь250,12
Титана800,40
Мягкая сталь700,74
Ni 3 Al3001,70

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, испытываемое дислокацией границ зерен, и тем выше прилагаемое напряжение, необходимое для распространения дислокаций через материал.

Связь между пределом текучести и размером зерна математически описывается уравнением Холла – Петча: [6]

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 . [2]Производство технических материалов с таким идеальным размером зерна затруднено, потому что только тонкие пленки могут быть надежно получены с зернами такого размера. В материалах, имеющих двухдисперсное распределение зерен по размеру, например, в материалах, демонстрирующих аномальный рост зерен , механизмы упрочнения не строго следуют соотношению Холла-Петча, и наблюдается дивергентное поведение.

История [ править ]

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 [7] 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, NJ Petch из Университета Лидса , Англия, опубликовал в 1953 году статью, независимую от Холла. В статье Петча [8] основное внимание 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 [ править ]

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. . [9] [10]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. [11]

Было выполнено несколько работ по исследованию механизма обратной зависимости Холла-Петча на множестве материалов. В работе Хана [12]Для исследования влияния размера зерна на механические свойства нанокристаллического графена при одноосной растягивающей нагрузке со случайными формами и случайной ориентацией графеновых колец была проведена серия моделирования молекулярной динамики. 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.[13]провели исследование обратных соотношений Холла-Петча 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, 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.В [14] исследовано также 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 внутризеренное движение дислокаций, 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. [15]

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.

Доработка зерна [ править ]

Измельчение зерна, также известное как прививки , [16] представляет собой набор методов , используемых для реализации границ зерен укрепления 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 зародышеобразователями, 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. [17] Сплавы Al-Ti-B являются наиболее распространенными измельчителями зерна для сплавов Al; [18] 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 [16]
МеталлИнокулянт
ЧугунFeSi, SiCa, графит
Mg сплавыZr, C
Медные сплавыFe, Co, Zr
Сплавы Al – SiP, Ti, B, Sc
Pb сплавыAs, Te
Цинковые сплавыTi
Ti-сплавы [ необходима цитата ]Al - Ti интерметаллиды

См. Также [ править ]

  • Механизмы усиления материалов

Ссылки [ править ]

  1. ^ WD Каллистер. Основы материаловедения и инженерии, 2-е изд. Wiley & Sons. С. 252.
  2. ^ а б Шу, Кристофер; Ние, Т.Г. (2003), "Твердость и сопротивление истиранию нанокристаллических никелевых сплавов вблизи режима пробоя Холла – Петча" , Mater. Res. Soc. Symp. Proc. , 740 , DOI : 10,1557 / прок-740-i1.8 .
  3. ^ «Ответы - самое надежное место для ответов на жизненные вопросы» .
  4. ^ Lesuer, DR; Syn, CK; Sherby, OD (2007), "Нано-субзерное укрепление в шаровой мельнице в железе" , Материалы наука и техника: A , 463 (1-2): 54-60, DOI : 10.1016 / j.msea.2006.07.161
  5. ^ Смит и Хашеми 2006 , стр. 243.
  6. ^ Смит и Хашеми 2006 , стр. 242.
  7. ^ Холл, EO (1951). «Деформация и старение мягкой стали: III обсуждение результатов». Proc. Phys. Soc. Лондон . 64 (9): 747–753. Bibcode : 1951PPSB ... 64..747H . DOI : 10.1088 / 0370-1301 / 64/9/303 .
  8. ^ Пэтч, штат Нью - Джерси (1953). «Прочность на отрыв поликристаллов». J. Iron Steel Inst. Лондон . 173 : 25–28.
  9. ^ Конрад, H; Нараян, Дж. (2000). «О размягчении зерен в нанокристаллических материалах». Scripta Mater . 42 (11): 1025–30. DOI : 10.1016 / s1359-6462 (00) 00320-1 .
  10. ^ Парк, H; Радд, Р; Кавалло, Р. Barton, N; Арсенлис, А; Белоф, Дж; Блобаум, К; Эль-Дашер, Б; Флорандо, Дж; Хантингтон, К; Мэддокс, B; Май, М; Плечаты, С; Присбрей, S; Ремингтон, Б; Уоллес, Р. Веренберг, К; Уилсон, М; Комли, А; Giraldez, E; Никроо, А; Фаррелл, М; Randall, G; Грей, G (2015). «Независимое от размера зерна пластическое течение при сверхвысоких давлениях и скоростях деформации» . Phys. Rev. Lett . 114 (6): 065502. Bibcode : 2015PhRvL.114f5502P . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.114.065502 . PMID 25723227 . 
  11. ^ Карлтон, C; Феррейра, П.Дж. (2007). «Что стоит за обратным поведением Холла – Петча в нанокристаллических материалах?». Матер. Res. Soc. Symp. Proc . 976 .
  12. ^ Хан, Jihoon. «Переход от обратного псевдо Холла-Петча к псевдо Холлу-Петчу в нанокристаллическом графене». Углерод 161 (2020): 542-549.
  13. ^ Чен, Шуай и др. «Холла-Петча и обратные отношения Холла-Петча в высокоэнтропийных сплавах CoNiFeAlxCu1-x». Материаловедение и инженерия: A 773 (2020): 138873
  14. ^ Шейнерман, Александр Г., Рикардо Х. Р. Кастро и Михаил Ю. Гуткин. «Модель прямого и обратного соотношения Холла-Петча для нанокристаллической керамики». Письма по материалам 260 (2020): 126886
  15. ^ Schiotz, J .; Ди Толла, ФО; Якобсен, KW (1998). «Размягчение нанокристаллических металлов на очень мелких зернах». Природа . 391 (6667): 561. DOI : 10.1038 / 35328 . S2CID 4411166 . 
  16. ^ a b Стефанеску, Дору Майкл (2002), Наука и техника затвердевания отливок , Springer, стр. 265, ISBN 978-0-306-46750-9.
  17. ↑ KT Kashyap и T. Chandrashekar, "Эффекты и механизмы измельчения зерна в алюминиевых сплавах", Бюллетень материаловедения , том 24, август 2001 г.
  18. ^ Fan, Z .; Wang, Y .; Zhang, Y .; Цинь, Т .; Чжоу, XR; Томпсон, GE; Pennycook, T .; Хашимото, Т. (2015). «Механизм измельчения зерна в системе Al / Al – Ti – B». Acta Materialia . 84 : 292–304. DOI : 10.1016 / j.actamat.2014.10.055 .

Библиография [ править ]

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

Внешние ссылки [ править ]

  • Упрочнение границ зерен в оксиде алюминия примесями редкоземельных элементов
  • Механизм зернограничного упрочнения сталей
  • Набор инструментов Matlab с открытым исходным кодом для анализа передачи скольжения через границы зерен