Введение
Эффект Портевина–Ле-Шателье (PLC) описывает зазубренную диаграмму «напряжение — деформация» или прерывистое течение, которые демонстрируют некоторые материалы при пластической деформации, особенно при неоднородной деформации. Этот эффект долгое время связывали с динамическим старением или конкуренцией между диффундирующими растворенными веществами, закрепляющими дислокации, и дислокациями, высвобождающимися из этого захвата. Возникновение эффекта PLC наблюдается, когда чувствительность к скорости деформации становится отрицательной и начинается неоднородная деформация.
История
Хотя эффект назван в честь Альберта Портевина и Франсуа Ле Шателье, они не были первыми, кто его открыл. Феликс Савар обнаружил его, наблюдая неоднородную деформацию при испытании на растяжение медных полос. Он задокументировал физические зазубрины на своих образцах, которые сейчас известны как полосы Портевина — Ле Шателье. Студент Савара, Антуан Массон, повторил эксперимент, контролируя скорость нагружения. Массон заметил, что при постоянной скорости нагружения образцы испытывали внезапные значительные изменения удлинения (до нескольких миллиметров).
Физика
Большая часть физики, лежащей в основе эффекта Портевина — Ле Шателье, заключается в частном случае ползучести, обусловленной сопротивлением со стороны растворенных атомов. Добавление атомов растворенного вещества в чистый кристалл вносит несоответствие размеров в систему. Это несоответствие размеров приводит к затруднению движения дислокаций. При низкой температуре эти атомы растворенного вещества неподвижны в кристаллической решетке, но при высоких температурах они становятся подвижными и взаимодействуют с дислокациями более сложным образом. Когда атомы растворенного вещества подвижны, а скорость дислокации не слишком велика, атомы растворенного вещества и дислокация могут двигаться совместно, при этом атом растворенного вещества замедляет движение дислокации. Эффект Портевина — Ле Шателье возникает в том случае, когда происходит ползучесть, обусловленная сопротивлением со стороны растворенных атомов, и на образец действует напряжение, величина которого зависит от материала. Приложенное напряжение увеличивает скорость дислокаций, позволяя им отрываться от атомов растворенного вещества. Этот процесс обычно называют "отрывом". Как только дислокация отрывается от атома растворенного вещества, напряжение на ней уменьшается, что приводит к снижению ее скорости. Это позволяет атомам растворенного вещества "догнать" дислокацию. Как только атом растворенного вещества догоняет дислокацию, напряжение на ней резко возрастает, и процесс повторяется. Показано, что наличие преципитатов влияет на появление и исчезновение пиков на кривой "напряжение — деформация".
Размер зерна
Структура материала также оказывает влияние на внешний вид и параметры, описывающие эффект ПЛК. Например, величина скачков напряжения больше при меньшем размере зерна. Критическое напряжение часто возрастает с увеличением размера зерна, что связано с зависимостью плотности дислокаций от размера зерна. Однако некоторые исследования показывают, что размер зерна практически не влияет на скорость распространения полосы или её ширину.
Описатели зубчатых костей
В то время как такие свойства, как чувствительность к скорости деформации и критическое напряжение, отмечают начало эффекта ПЛК, была разработана система для описания самих пиков (или зазубрин) на кривой деформирования. Эти типы часто зависят от скорости деформации, температуры и размера зерна. Поскольку типы A, B и C наиболее часто встречаются в литературе, здесь будут рассмотрены только они.
Полосы типа А
Полосы типа А часто наблюдаются при высоких скоростях деформирования и низких температурах. Обычно их описывают как непрерывно распространяющиеся с небольшим снижением напряжения.
Проблемы, вызванные эффектом ПЛК
Поскольку эффект PLC связан с механизмом упрочнения, прочность стали может возрастать; однако пластичность и текучесть материала, подверженного эффекту PLC, резко уменьшаются. Эффект PLC известен как причина возникновения синей хрупкости стали; кроме того, потеря текучести может приводить к образованию шероховатых поверхностей при деформации (сплавы Al-Mg особенно восприимчивы к этому), что делает их непригодными для использования в автомобилестроении или литье.