Кіріспе

Материалдар ғылымындағы ұғым

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.

Ұқсас құбылыстар

Коттрелл атмосферасы – жалпы құбылыс болғанымен, одан да арнайы жағдайларда туындайтын қосымша механизмдер де бар.

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.

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.

Материалдар

Коттрелл атмосферасымен сипатталатын дислокациялар металдар мен кремний кристалдары сияқты жартылай өткізгіш материалдарда кездеседі.