Dyslokacje Kryształowe: Dlaczego Metale Wyginają Się, a Nie Łamią się

Zagadka teoretycznej wytrzymałości, której nie dało się wyjaśnić

Crysztal bez defektów powinien wymagał naprężenia ścinającego rzędu τ ≈ G/(2π), gdzie G oznacza moduł ścinania, aby jednocześnie przesuwać całe płaszczyzny atomów. Zmierzony wytrzymałość na rozciąganie w rzeczywistych metale zwykle jest setki lub tysiące razy mniejsza niż to przewidywanie. Rozwiązanie, zaproponowane niezależnie przez Taylora, Orowana i Polanya w 1934 roku, polegało na tym, że kryształy nie ścinają się naraz – dyslokacja pozwala atomom przesuwać się jednym rzędem naraz, podobnie jak ruczaj przesuwający cały dywan z niewielkim wysiłkiem. Ten jeden wgląd połączył teorię z eksperymentem i założył nowoczesną teorię dyslokacji.

Krawędź i dyslokacje śrubowe, wektor Burgersa

Dyslokacja to jednowymiarowa defekcja, w której regularny porządek siatki jest lokalnie zakłócony wzdłuż linii przecinającej materiał. Dyslokacja krawędziowa to dodatkowy półpłaszczyzna atomów wciśnięta do siatki; dyslokacja śrubowa powoduje ścinanie płaszczyzn w ciągły, spiralny stopień. Większość dyslokacji w rzeczywistych metalech jest mieszana, z występowaniem obu charakterystyk wzdłuż ich długości.

Każda dyslokacja charakteryzuje się wektorem Burgersa b, który znajduje się poprzez narysowanie zamkniętego okręgu wokół linii dyslokacyjnej i notowanie luki – niepowodzenia zamknięcia – w porównaniu z tym samym obwodem w idealnym kryształu. Dla dyslokacji krawędziowej b jest prostopadły do linii; dla dyslokacji śrubowej b jest równoległy do niej.

Układki ślizgowe i prawo Schmidta

Deformacja plastyczna zachodzi, gdy dyslokacje przemieszczają się po określonych płaszczyznach i kierunkach zwanych układkami ślizgowymi – zwykle najbardziej gęsto upakowane płaszczyzny i kierunki najbliżej-upakowane, ponieważ zapewniają atomom najpłynniejszy sposób na przestawienie. Naprężenie, które faktycznie napędza przemieszczenie, to składowa rozłożona na układkę ślizgową, uchwycona przez prawo Schmidta:

τ = σ · cos(φ) · cos(λ) σ = naprężenie przyłożone φ = kąt między osią obciążenia a normalną płaszczyzny ślizgowej λ = kąt między osią obciążenia a kierunkiem ślizgu Plastyczne odkształcenie rozpoczyna się, gdy ta rozłożona wartość naprężenia ścinającego τ osiągnie krytyczną wartość dla materiału.

τ = σ · cos(φ) · cos(λ)

σ = applied stress
φ = angle between loading axis and slip-plane normal
λ = angle between loading axis and slip direction

Wielokrotne powstawanie, splątania i utrwalanie się pracy

Dyslokacje nie znikają wraz z odkształcaniem metalu – mnożą się, często poprzez źródło Franka-Read, w którym osadzony fragment wygina się wielokrotnie i emituje nowe pętle, a gęstość dyslokacji może wzrosnąć o kilka rzędów wielkości podczas intensywnej obróbki. Wraz z mnożeniem się, splątują się i gromadzą w miejscach przeszkód, utrudniając dalsze ślizganie się – mikroskopijne źródło utrwalania się pracy. Podgrzanie odwraca niektóre z tych procesów: podczas krystalizacji, dyslokacje ulegają ponownemu uporządkowaniu i częściowemu zniszczeniu, uwalniając zgromadzoną energię i zmiękczając metal. Zbalansowanie utrwalania się pracy z odzyskiwaniem, poprzez temperaturę i historię deformacji, jest głównym narzędziem, którego używają inżynierowie metali, aby dostosować zachowanie mechaniczne – od stali do samochodowych elementów karoserii po aluminium o wysokiej wytrzymałości, utrwalone dyspersją cząstek, które utrudniają ślizganie się dyslokacji w celu uzyskania wysokiej wytrzymałości przy niskiej wadze.”]} p{“paragraphs”}: [

Często zadawane pytania

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz the simulation i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.