Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

В науке материалов , то предел текучести аномалия относится к материалам , отличающийся тем , что предел текучести (то есть напряжение , необходимое для инициирования пластического течения) возрастает с повышением температуры. [1] [2] [3] Для большинства материалов предел текучести уменьшается с повышением температуры. В металлах это снижение предела текучести происходит из-за термической активации движения дислокаций , что приводит к более легкой пластической деформации при более высоких температурах. [4]

В некоторых случаях аномалия предела текучести относится к снижению пластичности материала с повышением температуры, что также противоположно тенденции для большинства материалов. Аномалии пластичности могут быть более очевидными, поскольку аномальное влияние на предел текучести может быть скрыто из-за его типичного уменьшения с температурой. [5] Наряду с аномалиями предела текучести или пластичности некоторые материалы демонстрируют экстремальные значения других температурно-зависимых свойств, таких как минимум ультразвукового демпфирования или максимум электропроводности . [6]

Аномалия предела текучести в β-латуни была одним из первых открытий такого явления [7], и несколько других упорядоченных интерметаллических сплавов демонстрируют этот эффект. Суперсплавы с дисперсионным упрочнением демонстрируют аномалию предела текучести в значительном температурном диапазоне. Для этих материалов предел текучести мало отличается от комнатной температуры до нескольких сотен градусов Цельсия. В конце концов достигается максимальный предел текучести. При еще более высоких температурах предел текучести уменьшается и, в конечном итоге, падает до нуля при достижении температуры плавления , когда твердый материал превращается в жидкость . Для заказанных интерметаллидов, температура пика предела текучести составляет примерно 50% от абсолютной температуры плавления . [8]

Механизмы [ править ]

Термически активируемое поперечное скольжение [ править ]

Ряд сплавов с L1 , 2 структуры ( например, Ni 3 Al, Ni 3 Ga, Ni 3 Ge, Ni 3 Si) показывают выход аномалии прочности. [9] Структура L1 2 является производной гранецентрированной кубической кристаллической структуры. Для этих сплавов активная система скольжения ниже пика составляет 110⟩ {111}, тогда как активная система при более высоких температурах составляет ⟨110⟩ {010}. Механизм упрочнения в этих сплавах - поперечное скольжение винтовых дислокаций с кристаллографических плоскостей (111) на (010) . [10]Это поперечное скольжение термически активируется, и винтовые дислокации намного менее подвижны в плоскостях (010), поэтому материал упрочняется с повышением температуры, и больше винтовых дислокаций оказывается в плоскости (010). Аналогичный механизм был предложен для некоторых сплавов B2, которые имеют аномалии предела текучести ( например, CuZn, FeCo, NiTi, CoHf, CoTi, CoZr). [8]

Механизм аномалии предела текучести в суперсплавах на основе Ni аналогичен. [11] В этих сплавах винтовые супердислокации претерпевают термически активированное поперечное скольжение на плоскости {100} с плоскостей {111}. Это предотвращает движение остальных частей дислокаций по системе скольжения (111) [- 101]. Опять же, с повышением температуры происходит большее поперечное скольжение, поэтому движение дислокаций становится более затруднительным, а предел текучести увеличивается.

Осадки на границе зерна [ править ]

В суперсплавах, упрочненных карбидами металлов , все более крупные частицы карбида образуются преимущественно на границах зерен, предотвращая скольжение по границам зерен при высоких температурах. Это приводит к увеличению предела текучести и, следовательно, к аномалии предела текучести. [5]

Вакансия активизирована усилением [ править ]

Хотя FeAl представляет собой сплав B2 , наблюдаемая аномалия предела текучести в FeAl связана с другим механизмом. Если бы механизмом было поперечное скольжение, то аномалия предела текучести зависела бы от скорости, как и ожидалось для термически активированного процесса. Вместо этого аномалия предела текучести зависит от состояния, а это свойство зависит от состояния материала. В результате усиление, активируемое вакансиями, является наиболее распространенным механизмом. [12] Энергия образования вакансий низкая для FeAl, что обеспечивает необычно высокую концентрацию вакансий в FeAl при высоких температурах (2,5% при 1000 ° C для Fe-50Al). Вакансия образуется в любых алюминиевых богатых FeAl или через нагревание представляет собой алюминиевые вакансии. [13]

При низких температурах около 300 К предел текучести либо уменьшается, либо не изменяется с температурой. При умеренных температурах (0,35-0,45 Т м ), наблюдается предел текучести увеличивается с увеличением концентрации вакансий, что обеспечивает дополнительные доказательства для вакансии ведомого укрепления механизма. [13] [8] Увеличение предела текучести из-за увеличения концентрации вакансий считается результатом закрепления дислокаций вакансиями на плоскости скольжения, в результате чего дислокации изгибаются. Затем, выше температуры пика напряжения, вакансии могут мигрировать, поскольку миграция вакансий облегчается при повышенных температурах. При таких температурах вакансии больше не препятствуют движению дислокаций, а способствуют их подъему.. В модели упрочнения вакансий повышенная прочность ниже температуры пикового напряжения аппроксимируется пропорциональной концентрации вакансий до половины с концентрацией вакансий, оцененной с использованием статистики Максвелла-Больцмана . Таким образом, прочность можно оценить как , при- энергия образования вакансии, а T - абсолютная температура. Выше пиковой температуры напряжения можно использовать механизм деформации с помощью диффузии для описания прочности, поскольку вакансии теперь подвижны и способствуют движению дислокаций. Выше пика предел текучести зависит от скорости деформации и, таким образом, максимальный предел текучести зависит от скорости. В результате максимальная температура напряжения увеличивается с увеличением скорости деформации. Обратите внимание, что это отличается от аномалии предела текучести, которая представляет собой предел текучести ниже пика, зависящий от скорости. Максимальный предел текучести также зависит от процентного содержания алюминия в сплаве FeAl. По мере увеличения процентного содержания алюминия максимальный предел текучести наблюдается при более низких температурах. [8]

Аномалия предела текучести в сплавах FeAl может быть скрыта, если термические вакансии не минимизировать путем медленного отжига при относительно низкой температуре (~ 400 ° C в течение ~ 5 дней). [14] Кроме того, аномалия предела текучести отсутствует в системах, которые используют очень низкую скорость деформации, поскольку максимальный предел текучести зависит от скорости деформации и, таким образом, может возникать при температурах, слишком низких для наблюдения аномалии предела текучести. Кроме того, поскольку для образования вакансий требуется время, величина максимального предела текучести зависит от того, как долго материал выдерживается при максимальной температуре напряжения. Кроме того, было обнаружено, что максимальный предел текучести не зависит от ориентации кристаллов. [8]

Были предложены другие механизмы, в том числе механизм поперечного скольжения , подобный таковому для L1 2 , распад дислокаций на менее подвижные сегменты на ступенях, закрепление дислокаций, механизм подъема-блокировки и переход вектора скольжения. Переход вектора скольжения от <111> к <100>. При максимальной температуре напряжения система скольжения изменяется с <111> на <100>. Считается, что это изменение является результатом того, что скольжение в <111> становится более трудным при повышении температуры из-за механизма трения. В этом случае дислокации в <100> имеют более легкое движение по сравнению. [15]Другой механизм сочетает в себе механизм упрочнения вакансий с дислокационным распадом. Было показано, что FeAl с добавкой третичной добавки, такой как Mn, также демонстрирует аномалию предела текучести. Однако, в отличие от FeAl, пиковый предел текучести или максимальная температура напряжения Fe 2 MnAl не зависит от скорости деформации и, таким образом, может не соответствовать механизму упрочнения, активируемого вакансиями. Вместо этого был предложен механизм упрочения порядка. [8]

Приложения [ править ]

Турбины и реактивные двигатели [ править ]

Аномалия предела текучести используется при проектировании газовых турбин и реактивных двигателей , работающих при высоких температурах, где используемые материалы выбираются на основе их максимальной текучести и сопротивления ползучести . Суперсплавы могут выдерживать высокие температурные нагрузки, намного превосходящие возможности сталей и других сплавов, и позволяют работать при более высоких температурах, что повышает эффективность . [16]

Ядерные реакторы [ править ]

В ядерных реакторах используются материалы с аномалиями предела текучести из-за их высокотемпературных механических свойств и хорошей коррозионной стойкости. [5]

Ссылки [ править ]

  1. ^ Лю, JB; Джонсон, Д. Д.; Смирнов, А. В. (24 мая 2005 г.), "Предсказание выход-стресс аномалии в L1 2 сплавов: Ni 3 Ge-Fe 3 Ge псевдо-бинарные файлы", Acta Materialia , 53 (13): 3601-3612, DOI : 10.1016 / J. actamat.2005.04.011
  2. ^ Wua, D .; Бейкер, I .; Манро, PR; Джордж, ЕР (февраль 2007 г.), "Предел текучести аномалия одной смещать-ориентированных Fe-Al монокристаллов", интерметаллидов , 15 (2): 103-107, DOI : 10.1016 / j.intermet.2006.03.007
  3. ^ Горностырев Ю. N .; Максютов А.Ф .; О.Ю. Концевой; А.Дж. Фриман; М.И. Кацнельсон; А.В. Трефилов (3 марта 2003 г.), «Отрицательная температурная аномалия предела текучести и структурная стабильность Pt 3 Al», Мартовское совещание Американского физического общества 2003 г. , Американское физическое общество, 2003 г. , стр. D17.009, Bibcode : 2003APS..MARD17009G
  4. ^ Smallman, RE (4 сентября 2013). Современная металлургия . Нган, AHW (Восьмое изд.). Оксфорд. ISBN 978-0-08-098223-6. OCLC  858948359 .
  5. ^ a b c Хан, FF; Чжоу, БМ; Хуанг, ВЧ; Ленг, В .; Лу, YL; Донг, JS; Li, ZJ; Чжоу, XT (2016-10-01). «Поведение суперсплава GH3535 при растяжении при повышенной температуре» . Химия и физика материалов . 182 : 22–31. DOI : 10.1016 / j.matchemphys.2016.07.001 . ISSN 0254-0584 . 
  6. ^ Чу, Чжаокуанг; Юй, Цзиньцзян; Сунь, Сяофэн; Гуань, Хенгронг; Ху, Чжуанци (15.05.2010). «Свойство растяжения и деформационное поведение направленно отвержденного суперсплава на основе никеля» . Материалы Наука и техника: A . 527 (12): 3010–3014. DOI : 10.1016 / j.msea.2010.01.051 . ISSN 0921-5093 . 
  7. ^ Ардли, GW; Коттрелл, Алан Ховард; Мотт, Невилл Фрэнсис (1953-09-22). «Предел текучести кристаллов латуни». Труды Лондонского королевского общества. Серия А. Математические и физические науки . 219 (1138): 328–340. Bibcode : 1953RSPSA.219..328A . DOI : 10.1098 / rspa.1953.0150 . S2CID 137118204 . 
  8. ^ Б с д е е Джордж, ЕР; Бейкер, И. (1998). «Модель аномалии предела текучести Fe-Al» . Философский журнал . 77 (3): 737–750. Bibcode : 1998PMagA..77..737G . DOI : 10.1080 / 01418619808224080 .
  9. ^ Пайдар, V; Поуп, Д. П.; Витек, В (1984-03-01). «Теория аномального поведения текучести в упорядоченных сплавах L12». Acta Metallurgica . 32 (3): 435–448. DOI : 10.1016 / 0001-6160 (84) 90117-2 . ISSN 0001-6160 . 
  10. ^ Торнтон, PH; Дэвис, Р.Г.; Джонстон, TL (1970-01-01). «Температурная зависимость напряжения течения γ 'фазы на основе Ni3Al». Металлургические операции . 1 (1): 207–218. DOI : 10.1007 / BF02819263 (неактивный 2021-01-14). ISSN 1543-1916 . CS1 maint: DOI inactive as of January 2021 (link)
  11. ^ Гэн, Пэйджи; Ли, Вэйго; Чжан, Сяньхэ; Дэн, Юн; Коу, Хайбо; Ма, Цзяньцзуо; Шао, Цзясин; Чен, Лиминг; У, Сяочжи (2017-06-05). «Теоретическая модель аномалии предела текучести суперсплавов на основе никеля при повышенной температуре» . Журнал сплавов и соединений . 706 : 340–343. DOI : 10.1016 / j.jallcom.2017.02.262 . ISSN 0925-8388 . 
  12. ^ Моррис, DG; Муньос-Моррис, Массачусетс (01.07.2010). «Пересмотр механизмов закрепления, ответственных за аномалию напряжения в интерметаллидах FeAl». FEAL 2009 - 5-я дискуссионная встреча по разработке инновационных железо-алюминиевых сплавов . 18 (7): 1279–1284. DOI : 10.1016 / j.intermet.2009.12.021 . ISSN 0966-9795 . 
  13. ^ a b Иордания, JL; Деви, Южная Каролина (01.06.2003). «Образование и эффекты вакансий в FeAl». Интерметаллиды . 11 (6): 507–528. DOI : 10.1016 / S0966-9795 (03) 00027-X . ISSN 0966-9795 . 
  14. ^ Карлтон, R .; Джордж, EP; Зи, Р.Х. (1 января 1995 г.). «Влияние отклонений от стехиометрии на аномалию прочности и поведение разрушения FeAl, легированного B». Интерметаллиды . 3 (6): 433–441. DOI : 10.1016 / 0966-9795 (94) 00041-I . ISSN 0966-9795 . 
  15. ^ Премкумар, М .; Сингх, АК (01.07.2011). «Аномалия прочности фазы B2 в сплаве Ti – 25Al – 25Zr». Интерметаллиды . 19 (7): 1085–1088. DOI : 10.1016 / j.intermet.2011.03.010 . ISSN 0966-9795 . 
  16. ^ Шэн, Ли-юань; Ян, Клык; Го, Цзянь-тин; Си, Тин-фэй (01.03.2014). «Аномальный выход и поведение хрупкости при промежуточной температуре направленно отвержденного суперсплава на основе никеля» . Сделки Общества цветных металлов Китая . 24 (3): 673–681. DOI : 10.1016 / S1003-6326 (14) 63110-1 . ISSN 1003-6326 .