Дислокационные лавины - Dislocation avalanches

Дислокационные лавины представляют собой быстрые дискретные события во время пластической деформации, в которых дефекты реорганизуются коллективно. Такое прерывистое течение наблюдается в микрокристаллах, тогда как макроскопическая пластичность проявляется как плавный процесс. Прерывистое пластическое течение наблюдалось в нескольких различных системах. В сплавах AlMg взаимодействие растворенного вещества и дислокаций может вызвать внезапный скачок во время динамического деформационного старения.[1] В металлическом стекле это можно наблюдать по полосам сдвига с локализацией напряжения;[2] и пластичность монокристалла, это проявляется как разрыв скольжения.[3] Однако анализ событий с разницей на порядки в размерах с разной кристаллографической структурой показывает степенное масштабирование между количеством событий и их величиной, или безмасштабный поток.[4]

Эта микроскопическая нестабильность пластичности может иметь серьезные последствия для механического поведения микрокристаллов. Увеличенный относительный размер колебаний затрудняет контроль процесса пластического формования.[5] Более того, при малых размерах образцов предел текучести больше не определяется критерием пластической деформации 0,2%, поскольку это значение варьируется от образца к образцу.[6]

Подобные прерывистые эффекты были изучены во многих совершенно разных системах, включая прерывистость диссипации энергии в магнетизме (Эффект Баркгаузена ), сверхпроводимость, землетрясения и трение.[7]

Фон

Образование полос скольжения вблизи границы зерен. Пунктирными линиями обозначены плоскости скольжения.

Макроскопическая пластичность хорошо описывается континуальной моделью. Движение дислокаций характеризуется средней скоростью

которое известно как уравнение Орована. Однако этот подход полностью не учитывает хорошо известные явления прерывистой деформации, такие как пространственная локализация потока дислокаций в «полосы скольжения». [8](также известен как Группа Людерса ) и временные флуктуации кривых растяжения ( Эффект Портвена – Ле Шателье впервые сообщили в 1920-х годах).[9][1]

Экспериментальный подход

Хотя доказательства поведения прерывистого потока давно известны и изучаются, только в последние два десятилетия количественное понимание этого явления получено с помощью новых экспериментальных методов.

Акустическая эмиссия

Акустическая эмиссия (AE) используется для записи треска от деформируемых кристаллов.[10][11] Амплитуды акустических сигналов могут быть связаны с площадью, охватываемой быстро движущимися дислокациями, и, следовательно, с энергией, рассеиваемой во время деформационных событий. Результат показывает, что трескающий шум не является плавным, без определенной шкалы энергии. Влияние зеренной структуры на «сверхкритическое» течение изучено в поликристаллическом льду.[12]

Прямое механическое измерение

Последние разработки в области мелкомасштабных механических испытаний с субнометровым разрешением по смещению и суб-микронным разрешением в силе теперь позволяют напрямую изучать дискретные события при напряжении и деформации. В настоящее время наиболее популярным методом является эксперимент по уменьшению сжатия, в котором используется наноиндентор с плоским наконечником для вдавливания. Оснащен методами на месте в сочетании с Просвечивающая электронная микроскопия, Сканирующая электронная микроскопия, и методы микродифракции, этот метод наномеханических испытаний может дать нам богатую информацию о нестабильностях пластичности на нанометровом уровне в реальном времени.

Одна потенциальная проблема в наномеханических измерениях: как быстро система может реагировать? Может ли отпечаток оставаться в контакте с образцом и отслеживать деформацию? Поскольку на скорость дислокации сильно влияет напряжение, скорость может быть на много порядков различной в разных системах. Кроме того, многомасштабный характер дислокационной лавины дает скорость дислокации в большом диапазоне. Например, было показано, что одиночные дислокации движутся со скоростью ~ 10 мс.−1 в чистой Cu, но группы дислокаций перемещались на ∼10−6 РС−1 в Cu-0,5% Al. Обратное обнаружено для железа, где обнаружено, что группы дислокаций перемещаются на шесть порядков быстрее в сплаве FeSi, чем отдельные дислокации в чистом железе.

Чтобы решить эту проблему, Sparks et al. разработал эксперимент для измерения первого разрушения пучка Si и сравнения с теоретическим предсказанием для определения скорости реакции системы.[13] В дополнение к регулярным экспериментам по сжатию были выполнены измерения электрического контактного сопротивления (ЭЦР) на месте. Во время этих испытаний на месте во время эксперимента по деформации подавалось постоянное напряжение для регистрации изменения тока во время прерывистого пластического течения. Результат показывает, что наконечник с углублением остается в контакте с образцом на протяжении всего эксперимента, что доказывает, что скорость реакции достаточно высока.

Теоретический анализ и моделирование

Распределения деформации лавины имеют общий вид[5]

где C - нормировочная константа, t - показатель масштабирования, а s0 - характерная деформация крупнейших лавин.

Динамическое моделирование дислокаций показало, что близко к 1,5, что хорошо согласуется с предсказанием теории среднего поля.[14][15] Результаты моделирования также выявили безмасштабную природу дислокационных лавин и пришли к выводу, что деформация кристаллов с высокомобильными дислокациями проявляет признаки самоорганизованного критического процесса (SOC).

Влияние кристаллической структуры на дислокационные лавины

В кристалле FCC масштабированная скорость показывает главный пик в распределении с относительно гладкой кривой, что ожидается из теории, за исключением некоторого расхождения при низкой скорости. Однако в кристалле BCC распределение масштабированной скорости более широкое и более дисперсное.[16] Результат также показывает, что масштабированная скорость в BCC намного меньше, чем в FCC, что не предсказывается теорией среднего поля. Возможное объяснение этого несоответствия основано на разной скорости движения краевых и винтовых дислокаций в кристаллах двух типов. В кристаллах ГЦК две части дислокации движутся с одинаковой скоростью, что приводит к плавному усредненному профилю лавины; тогда как в кристаллах BCC краевые компоненты движутся быстро и быстро убегают, в то время как винтовые части распространяются медленно, что влияет на общую скорость. Основываясь на этом объяснении, мы также будем ожидать зависимости от направления лавинных событий в кристаллах HCP, которые в настоящее время отсутствуют в экспериментальных данных.

Рекомендации

  1. ^ а б Лебёдкин, М.А .; Эстрин, Ю. (2005). «Мультифрактальный анализ эффекта Портвена – Ле Шателье: общий подход и применение к AlMg и AlMg / Al.2О3 сплавы ». Acta Materialia. Elsevier BV. 53 (12): 3403–3413. Дои:10.1016 / j.actamat.2005.03.042. ISSN  1359-6454.
  2. ^ Wang, G .; Chan, K.C .; Xia, L .; Ага.; Shen, J .; Ван, W.H. (2009). «Самоорганизованное прерывистое пластическое течение в объемных металлических стеклах». Acta Materialia. Elsevier BV. 57 (20): 6146–6155. Дои:10.1016 / j.actamat.2009.08.040. ISSN  1359-6454.
  3. ^ Фридман, Нир; Дженнингс, Эндрю Т .; Цекенис, Георгиос; Ким, Джу-Ён; Тао, Молей; и другие. (2012-08-30). «Статистика дислокационных лавин скольжения в наноразмерных монокристаллах демонстрирует настроенное критическое поведение, предсказываемое простой моделью среднего поля». Письма с физическими проверками. Американское физическое общество (APS). 109 (9): 095507. Дои:10.1103 / Physrevlett.109.095507. ISSN  0031-9007. PMID  23002851.
  4. ^ Димидук, Д. М. (26.05.2006). «Безмасштабное прерывистое течение в пластичности кристаллов». Наука. Американская ассоциация развития науки (AAAS). 312 (5777): 1188–1190. Дои:10.1126 / science.1123889. ISSN  0036-8075. PMID  16728635. S2CID  22061734.
  5. ^ а б Csikor, F. F .; Motz, C .; Weygand, D .; Зайзер, М .; Заппери, С. (2007-10-12). «Дислокационные лавины, деформационные взрывы и проблема пластического образования в микрометрическом масштабе». Наука. Американская ассоциация развития науки (AAAS). 318 (5848): 251–254. Дои:10.1126 / science.1143719. ISSN  0036-8075. PMID  17932293. S2CID  30014046.
  6. ^ Бринкманн, Штеффен; Ким, Джу-Ён; Грир, Джулия Р. (17 апреля 2008 г.). «Фундаментальные различия в механическом поведении двух типов кристаллов в наномасштабе». Письма с физическими проверками. Американское физическое общество (APS). 100 (15): 155502. Дои:10.1103 / Physrevlett.100.155502. ISSN  0031-9007. PMID  18518121.
  7. ^ Фишер, Дэниел С. (1998). «Коллективный транспорт в случайных средах: от сверхпроводников до землетрясений». Отчеты по физике. Elsevier BV. 301 (1–3): 113–150. arXiv:cond-mat / 9711179. Дои:10.1016 / s0370-1573 (98) 00008-8. ISSN  0370-1573. S2CID  13903993.
  8. ^ «XI. Бейкерская лекция. - Кристаллическая структура металлов». Философские труды Лондонского королевского общества. Серия A, содержащая статьи математического или физического характера. Королевское общество. 193: 353–375. 1900. Дои:10.1098 / рста.1900.0011. ISSN  0264-3952.
  9. ^ Portevin, A .; Ле Шателье, Ф. (1923). "Sur un phénomène observé lors de l'essai de traction d'alliages en cours de transform". Comptes rendus de l'Académie des Sciences (На французском). 176: 507.
  10. ^ Мигель, М.-Кармен; Веспиньяни, Алессандро; Заппери, Стефано; Вайс, Жером; Грассо, Жан-Роберт (2001). «Прерывистое движение дислокаций при вязкопластической деформации». Природа. 410 (6829): 667–671. arXiv:cond-mat / 0105069. Дои:10.1038/35070524. ISSN  0028-0836. PMID  11287948. S2CID  4414986.
  11. ^ Вайс, Дж. (2003-01-03). «Трехмерное отображение дислокационных лавин: кластеризация и взаимодействие пространства и времени». Наука. Американская ассоциация развития науки (AAAS). 299 (5603): 89–92. Дои:10.1126 / science.1079312. ISSN  0036-8075. PMID  12511646. S2CID  22277137.
  12. ^ Richeton, Thiebaud; Вайс, Жером; Луше, Франсуа (2005-05-08). «Нарушение лавинно-критического поведения при поликристаллической пластичности». Материалы Природы. ООО "Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа". 4 (6): 465–469. Дои:10.1038 / nmat1393. ISSN  1476-1122. PMID  15880114. S2CID  41540196.
  13. ^ Sparks, G .; Фани, П. Судхаршан; Hangen, U .; Маас, Р. (2017). «Динамика пространственно-временного сдвига при деформации микрокристаллов золота». Acta Materialia. Elsevier BV. 122: 109–119. Дои:10.1016 / j.actamat.2016.09.026. ISSN  1359-6454.
  14. ^ Зайзер, Майкл; Моретти, Паоло (2005-08-05). «Флуктуационные явления пластичности кристаллов - модель континуума». Журнал статистической механики: теория и эксперимент. IOP Publishing. 2005 (8): P08004. arXiv:cond-mat / 0505593. Дои:10.1088 / 1742-5468 / 2005/08 / p08004. ISSN  1742-5468. S2CID  14397222.
  15. ^ Зайзер, Майкл (2006). «Масштабная инвариантность при пластическом течении кристаллических твердых тел». Успехи в физике. Informa UK Limited. 55 (1–2): 185–245. Дои:10.1080/00018730600583514. ISSN  0001-8732. S2CID  120211362.
  16. ^ Sparks, G .; Маас, Р. (2018). «Формы и скоростная релаксация дислокационных лавин в микрокристаллах Au и Nb». Acta Materialia. Elsevier BV. 152: 86–95. arXiv:1705.06636. Дои:10.1016 / j.actamat.2018.04.007. ISSN  1359-6454.

Смотрите также