Укрепление границ зерен
Упрочнение границ зерен (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 накапливается напряжение в соседнем зерне, что в конечном итоге активирует источники дислокаций и, таким образом, вызывает деформацию в соседнем зерне. , слишком. Таким образом, изменяя размер зерна, можно влиять на число дислокаций, скопившихся на границе зерна, и на предел текучести . Например, термическая обработка.После пластической деформации и изменения скорости затвердевания можно изменить размер зерна. [1]
При упрочнении границ зерен 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 значительно более разупорядочена, чем внутри зерна, что также препятствует движению дислокаций в сплошной плоскости скольжения. Препятствование этому движению дислокаций будет препятствовать наступлению пластичности и, следовательно, увеличивать предел текучести материала.
При приложенном напряжении существующие дислокации и дислокации, генерируемые источниками Франка-Ридабудет двигаться через кристаллическую решетку, пока не столкнется с границей зерна, где большое несоответствие атомов между различными зернами создает поле напряжения отталкивания, препятствующее продолжению движения дислокации. По мере того как к этой границе распространяется больше дислокаций, происходит «нагромождение» дислокаций, поскольку скопление дислокаций не может двигаться дальше границы. Поскольку дислокации создают поля напряжений отталкивания, каждая последующая дислокация будет прикладывать 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 зерна, вызывая дальнейшую деформацию 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 показано уравнением Холла-Петча. Однако при большом изменении направления ориентации двух соседних зерен дислокация может не обязательно перемещаться от одного зерна к другому, а вместо этого создавать новый источник дислокации в соседнем зерне. Теория остается прежней: большее количество границ зерен создает большее сопротивление движению дислокаций и, в свою очередь, упрочняет материал. тем выше предел текучести. Таким образом, существует обратная зависимость между размером зерна и пределом текучести, как показано уравнением Холла-Петча. Однако при большом изменении направления ориентации двух соседних зерен дислокация может не обязательно перемещаться от одного зерна к другому, а вместо этого создавать новый источник дислокации в соседнем зерне. Теория остается прежней: большее количество границ зерен создает большее сопротивление движению дислокаций и, в свою очередь, упрочняет материал. тем выше предел текучести. Таким образом, существует обратная зависимость между размером зерна и пределом текучести, как показано уравнением Холла-Петча. Однако при большом изменении направления ориентации двух соседних зерен дислокация может не обязательно перемещаться от одного зерна к другому, а вместо этого создавать новый источник дислокации в соседнем зерне. Теория остается прежней: большее количество границ зерен создает большее сопротивление движению дислокаций и, в свою очередь, упрочняет материал. дислокация может не обязательно перемещаться от одного зерна к другому, а вместо этого создавать новый источник дислокации в соседнем зерне. Теория остается прежней: большее количество границ зерен создает большее сопротивление движению дислокаций и, в свою очередь, упрочняет материал. дислокация может не обязательно перемещаться от одного зерна к другому, а вместо этого создавать новый источник дислокации в соседнем зерне. Теория остается прежней: большее количество границ зерен создает большее сопротивление движению дислокаций и, в свою очередь, упрочняет материал.
Очевидно, что этому способу упрочнения есть предел, поскольку бесконечно прочных материалов не существует. 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 размер дислокаций начинает 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. рис. 1 выше). Эта схема предотвращает скопление дислокаций и вместо этого приводит к диффузии по границам зерен . Решетка устраняет 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:
