Коттрелл атмосферасы және дислокациялар тұрақтандырылуы
Cottrell atmosphere
Коттрелл атмосферасы: металдардағы дислокациялардың бекітілуін түсіндіретін маңызды ғылыми тұжырым. Бор, көміртегі, азоттың әсері зерттеледі. Материалтану.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Материалдар ғылымындағы ұғым
Concept in materials science
Материалдар ғылымында Коттрелл атмосферасы ұғымын А. Х. Коттрелл және Б. А. Билби 1949 жылы кейбір металдардағы дислокацияларды борон, көміртек немесе азот интерстициалдарымен бекіту механизмін түсіндіру үшін енгізді. Коттрелл атмосферасы боди-центрлі кубикалық (БЦК) және бет-центрлі кубикалық (ФКК) материалдарда, мысалы темір немесе никельде, борон, көміртек немесе азот сияқты шағын қоспа атомдары бар жағдайларда пайда болады. Бұл интерстициалдық атомдар кристалдық торды аз ғана бұрмалағандықтан, интерстициалдың айналасында қалдық кернеу өрісі пайда болады. Бұл кернеу өрісі интерстициалдық атомның дислокацияға қарай диффузиялауы арқылы жеңілдетілуі мүмкін, себебі дислокацияның өзегінде кішкентай бос орын бар (ол ашық құрылымға ие болғандықтан), 1-суретті қараңыз. Атом дислокация өзегіне диффузияланғаннан кейін, ол онда қалады. Әдетте, дислокацияның бір торлық жазықтығы үшін тек бір интерстициалдық атом жеткілікті. Осы процестің нәтижесінде дислокация өзегінің айналасына еріген атомдардың жиналуы Коттрелл атмосферасы деп аталады.
In materials science, the concept of the Cottrell atmosphere was introduced by A. H. Cottrell and B. A. Bilby in 1949 to explain how dislocations are pinned in some metals by boron, carbon, or nitrogen interstitials. Cottrell atmospheres occur in body centered cubic (BCC) and face centered cubic (FCC) materials, such as iron or nickel, with small impurity atoms, such as boron, carbon, or nitrogen. As these interstitial atoms distort the lattice slightly, there will be an associated residual stress field surrounding the interstitial. This stress field can be relaxed by the interstitial atom diffusing towards a dislocation, which contains a small gap at its core (as it is a more open structure), see Figure 1. Once the atom has diffused into the dislocation core the atom will stay. Typically only one interstitial atom is required per lattice plane of the dislocation. The collection of solute atoms around the dislocation core due to this process is the Cottrell atmosphere.
Ұқсас құбылыстар
Коттрелл атмосферасы – жалпы құбылыс болғанымен, одан да арнайы жағдайларда туындайтын қосымша механизмдер де бар.
While the Cottrell atmosphere is a general effect, there are additional related mechanisms that occur under more specialized circumstances.
Судзуки эффектісі
Сузуки эффектісі еріген заттардың жинақталу қателіктеріне бөлінуімен сипатталады. FCC жүйесіндегі дислокациялар екі ішінара дислокацияға бөлінген кезде, екі ішінараның арасында гексагональ тығыз жиналған (HCP) үйілу ақауы пайда болады. Х. Сузуки осы шекарада еріген атомдардың концентрациясы негізгі массадан өзгеше болатынын болжады. Осылайша, еріген атомдардың өрісі арқылы қозғалу Коттрелл атмосферасындағыдай дислокацияларға ұқсас кедергі келтіреді. Сузуки кейін 1961 жылы мұндай бөлінуді байқады. Сузуки эффектісі көбінесе үйілу ақауларына еріген заттың алмастыру атомдарының адсорбциясымен байланысты, бірақ ол үйілу ақауларынан аралық атомдардың диффузиясымен де кездеседі. Екі ішінара дислокация бөлініп кеткеннен кейін, олар кедергілердің айналысына көше алмайды. Коттрелл атмосферасы дислокациялық қозғалысқа қарсы күш бергендей, үйілу ақауындағы Сузуки эффектісі ішінара дислокациялардың рекомбинациясы үшін стрестің артуына әкеледі, бұл кедергілерді (мысалы, тұнбалар немесе бөлшектер) айналып өтудің қиындығын арттырады, демек, материалдың беріктігі артады.
The Suzuki effect is characterized by the segregation of solutes to stacking fault defects. When dislocations in an FCC system split into two partial dislocations, a hexagonal close packed (HCP) stacking fault is formed between the two partials. H. Suzuki predicted that the concentration of solute atoms at this boundary would differ from the bulk. Moving through this field of solute atoms would therefore produce a similar drag on dislocations as the Cottrell atmosphere. Suzuki later observed such segregation in 1961. The Suzuki effect is often associated with adsorption of substitutional solute atoms to the stacking fault, but it has also been found to occur with interstitial atoms diffusing out of the stacking fault. Once two partial dislocations have split, they cannot cross slip around obstacles anymore. Just as the Cottrell atmosphere provided a force against dislocation motion, the Suzuki effect in the stacking fault will lead to increased stresses for recombination of partials, leading to increased difficulty in bypassing obstacles (such as precipitates or particles), and therefore resulting in a stronger material.
Снук эффектісі
Қабылданған кернеу кезінде көміртек және азот сияқты аралық ерітінді атомдары BCC металл болып табылатын α Fe торларында жылжуы мүмкін. Көміртек пен азот ерітінді атомдарының қысқа аралықтағы жылжуы ішкі үйкеліс немесе серпімді әсерге алып келеді, бұл Снук эффектісі деп аталады. Снук эффектісі 1941 жылы Дж. Л. Снукпен ашылған. Бөлме температурасында қатты ерітінділерде көміртек пен азоттың ерігіштігі өте төмен. Температураны 400°C-тан жоғары көтеріп, орташа жылдамдықпен салқындату арқылы, ерітіндіде әр элементтің бірнеше мыңнан бір бөлігін сақтау оңай, ал қалғаны қаныққан күйде болады. Қатты ерітіндіде көміртек немесе азоттың көбірек мөлшерін қамтитын үлгілерді дайындау арқылы магниттік және серпімді құбылыстар күрт күшейеді. Азоттың ерігіштігі қатты ерітіндідегі көміртек ерігіштігінен әлдеқайда жоғары. Сутек пен аммиак (немесе көміртек монооксиді) қоспасындағы үлгі араластырылып, стационарлық күйге жеткенше қыздырылады, осы кезде үлгі салмағындағы өзгерістерді бағалау арқылы процесс кезінде сіңірілген көміртек пен азоттың массасын анықтауға болады. Егер кернеу z немесе [001] бағытында қолданылса, x және y осьтері бойындағы октаэдрлік кеңістіктер тарылады, ал z бағытындағы октаэдрлік кеңістіктер кеңейеді. Дегенмен, торға деформация түсірілген кезде, мысалы, дислокация пайда болғанда, 1/3 бөлігі қалған 2/3 бөлігінен гөрі қолайлырақ болады. Сондықтан ерітінді атомдары қолайлы орындарды иеленуге жылжуы мүмкін, бұл ерітінділердің қысқа аралықтағы ретін құрайды, ол дислокацияның жанында орналасады. Интерстициалдық ерітінді атомдарының осы басқа орындарға жылжуы серпімді дипольдердегі өзгерістерді құрайды, сондықтан бұл өзгеріспен байланысты релаксация уақыты бар, ол ерітінді атомдарының диффузиясына және көшіру энтальпиясына байланысты болуы мүмкін. Жаңа, релаксацияланған ерітінді конфигурациясында осы ретті бұзу үшін көбірек энергия қажет. Алайда, [111] бағытында қолданылатын кернеу аралық атомдардың орналасуына өзгеріс енгізбейді, өйткені кубтың үш бағыты да бірдей кернеуге ұшырайды және орташа есеппен көміртек атомдары бірдей бөліседі.
Under an applied stress, interstitial solute atoms, such as carbon and nitrogen can migrate within the α Fe lattice, a BCC metal. These short range migrations of carbon and nitrogen solute atoms result in an internal friction or an elastic effect, called the Snoek effect. The Snoek effect was discovered by J. L. Snoek in 1941. At room temperature, the solubility of carbon and nitrogen in solid solutions is exceedingly small. By raising, the temperature beyond 400oC and cooling at a moderate rate, it is easy to keep a few hundredths of a percent of either element within the solution, while the remainder is supersaturated. By preparing samples containing a larger amount of carbon or nitrogen in solid solution, magnetic and elastic phenomena are greatly enhanced. The solubility of nitrogen is much larger than the solubility of carbon in solid solution. A sample in a mixture of hydrogen and ammonia (or carbon monoxide) is mixed and heated until a stationary state was reached, where the mass of carbon and nitrogen taken up during the process can be found by estimating the changes in the weight of the sample. If a stress is applied a long the z, or [001] direction, the octahedral interstices along the x and y axes will contract, while the octahedral interstices along the z direction expand. However, once a strain is applied on the lattice, such as that formed by a dislocation, 1/3 of the sites become more favorable than the other 2/3. Solute atoms will therefore move to occupy the favorable sites, forming a short ranged order of solutes immediately within the vicinity of the dislocation. The motion of the interstitial solutes to these other sites constitutes a change in the elastic dipoles, so there is a relaxation time associated with this change which can be connected to the diffusivity and migration enthalpy of the solute atoms. In the new, relaxed solute configuration, more energy is therefore required to break a dislocation from this order. However, a stress applied in the [111] direction will not lead to any changes in the locations of the interstitial atoms as the three directions of the cube will be equally stressed, and on average, equally occupied by carbon atoms.
Материалдар
Коттрелл атмосферасымен сипатталатын дислокациялар металдар мен кремний кристалдары сияқты жартылай өткізгіш материалдарда кездеседі.
Materials in which dislocations described by Cottrell atmosphere include metals and semiconductor materials such silicon crystals.