Stapelfehlerenergie - Stacking-fault energy

Die Stapelfehlerenergie (SFE) ist eine Materialeigenschaft in sehr geringem Maßstab. Es wird als γ SFE in Energieeinheiten pro Fläche angegeben.

Ein Stapelfehler ist eine Unterbrechung der normalen Stapelsequenz von Atomebenen in einer dicht gepackten Kristallstruktur . Diese Unterbrechungen tragen eine bestimmte Stapelfehlerenergie. Die Breite der Stapelfehler ist eine Folge der Balance zwischen der Abstoßungskraft zwischen zwei Teilversetzungen einerseits und der Anziehungskraft aufgrund der Oberflächenspannung des Stapelfehlers andererseits. Die Gleichgewichtsbreite wird somit teilweise durch die Stapelfehlerenergie bestimmt. Wenn der SFE hoch ist, ist die Dissoziation einer vollständigen Versetzung in zwei Teilbereiche energetisch ungünstig, und das Material kann sich entweder durch Versetzungsgleiten oder Kreuzschlupf verformen. Niedrigere SFE-Materialien weisen größere Stapelfehler auf und haben größere Schwierigkeiten beim Querschlupf. Die SFE modifiziert die Fähigkeit einer Dislokation in einem Kristall zu gleiten auf eine sich schneidende Gleitebene . Wenn der SFE niedrig ist, nimmt die Beweglichkeit von Versetzungen in einem Material ab.

Material Messing Rostfreier Stahl Ag ( Silber ) Au Si ( Silizium ) Ni ( Nickel ) Cu ( Kupfer ) Mg ( Magnesium ) Al ( Aluminium )
SFE ( mJ m -2 ) <10 <10 25 75 > 42 90 70-78 125 160-250

Stapelfehler und Stapelfehlerenergie

Ein Stapelfehler ist eine Unregelmäßigkeit in der planaren Stapelfolge von Atomen in einem Kristall - in FCC-Metallen ist die normale Stapelfolge ABCABC usw. Wenn jedoch ein Stapelfehler eingeführt wird, kann dies zu einer Unregelmäßigkeit wie ABCBCABC in der normalen Stapelfolge führen. Diese Unregelmäßigkeiten tragen eine bestimmte Energie, die als Stapelfehlerenergie bezeichnet wird.

Einflüsse auf die Stapelfehlerenergie

Ein Graph, wie SFE verringert sich schnell mit Zinklegierungsgehalt. Daten entnommen aus.
Ein Diagramm, wie SFE mit dem Gehalt an Aluminiumlegierungen schnell abnimmt . Daten entnommen aus.

Die Stapelfehlerenergie wird stark von einigen Hauptfaktoren beeinflusst, insbesondere von unedlen Metallen, Legierungsmetallen, Prozent der Legierungsmetalle und dem Verhältnis von Valenzelektronen zu Atomen.

Auswirkungen von Legierungselementen auf SFE

Es ist seit langem bekannt, dass die Zugabe von Legierungselementen den SFE der meisten Metalle signifikant senkt. Welches Element und wie viel hinzugefügt wird, wirkt sich dramatisch auf die SFE eines Materials aus. Die Abbildungen rechts zeigen, wie sich der SFE von Kupfer durch Hinzufügen von zwei verschiedenen Legierungselementen verringert. Zink und Aluminium. In beiden Fällen nimmt der SFE des Messings mit zunehmendem Legierungsgehalt ab. Der SFE der Cu-Al-Legierung nimmt jedoch schneller ab und erreicht ein niedrigeres Minimum.

e / a-Verhältnis

Ein weiterer Faktor, der einen signifikanten Einfluss auf die SFE eines Materials hat und stark mit dem Legierungsgehalt zusammenhängt, ist das e / a-Verhältnis oder das Verhältnis von Valenzelektronen zu Atomen. Thornton zeigte dies 1962, indem er das e / a-Verhältnis gegen SFE für einige Legierungen auf Cu-Basis aufzeichnete. Er fand heraus, dass das Valenz-Elektronen-Atom-Verhältnis ein guter Prädiktor für die Stapelfehlerenergie ist, selbst wenn das Legierungselement geändert wird. Dies unterstützt direkt die Grafiken auf der rechten Seite. Zink ist ein schwereres Element und hat nur zwei Valenzelektronen, während Aluminium leichter ist und drei Valenzelektronen hat. Somit hat jeder Gewichtsprozentanteil von Aluminium einen viel größeren Einfluss auf den SFE der Legierung auf Cu-Basis als Zink.

Auswirkungen der Stapelfehlerenergie auf Verformung und Textur

Die beiden Hauptverformungsmethoden in Metallen sind Schlupf und Zwillingsbildung. Schlupf tritt durch Versetzungsgleiten von Schrauben- oder Kantenversetzungen innerhalb einer Schlupfebene auf. Schlupf ist bei weitem der häufigste Mechanismus. Zwillinge sind seltener, treten jedoch unter bestimmten Umständen leicht auf.

Zwillingsbildung tritt auf, wenn nicht genügend Schlupfsysteme vorhanden sind, um Verformungen aufzunehmen, und / oder wenn das Material einen sehr niedrigen SFE aufweist. Zwillinge kommen in vielen Metallen mit niedrigem SFE wie Kupferlegierungen häufig vor, in Metallen mit hohem SFE wie Aluminium jedoch selten.

Um große Dehnungen ohne Bruch aufnehmen zu können, müssen mindestens fünf unabhängige und aktive Schlupfsysteme vorhanden sein. Wenn häufig ein Kreuzschlupf auftritt und bestimmte andere Kriterien erfüllt sind, werden manchmal nur drei unabhängige Schlupfsysteme benötigt, um große Verformungen aufzunehmen.

Aufgrund der unterschiedlichen Verformungsmechanismen in Materialien mit hohem und niedrigem SFE entwickeln sie unterschiedliche Texturen.

Materialien mit hohem SFE

Materialien mit hohem SFE verformen sich durch Gleiten voller Versetzungen. Da keine Stapelfehler vorliegen, können die Schraubenversetzungen überkreuzen. Smallman fand heraus, dass Kreuzschlupf bei Materialien mit hohem SFE wie Aluminium (1964) unter geringer Belastung auftritt. Dies verleiht einem Metall zusätzliche Duktilität, da beim Querschlupf nur drei andere aktive Schlupfsysteme erforderlich sind, um großen Belastungen ausgesetzt zu sein. Dies gilt auch dann, wenn der Kristall nicht ideal ausgerichtet ist.

Materialien mit hohem SFE müssen daher die Ausrichtung nicht ändern, um große Verformungen aufgrund von Kreuzschlupf auszugleichen. Eine gewisse Neuorientierung und Texturentwicklung tritt auf, wenn sich die Körner während der Verformung bewegen. Ein starker Kreuzschlupf aufgrund einer großen Verformung verursacht auch eine gewisse Kornrotation. Diese Neuorientierung von Körnern in Materialien mit hohem SFE ist jedoch viel weniger verbreitet als in Materialien mit niedrigem SFE.

Materialien mit niedrigem SFE

Materialien mit niedrigem SFE verdoppeln sich und erzeugen partielle Versetzungen. Teilformen bilden sich anstelle von Schraubenversetzungen. Vorhandene Schrauben können auch bei hohen Beanspruchungen nicht über Stapelfehler hinwegrutschen. Fünf oder mehr Schlupfsysteme müssen aktiv sein, damit große Verformungen auftreten können, da kein Kreuzschlupf vorliegt. Sowohl für die <111> - als auch für die <100> -Richtung gibt es sechs bzw. acht verschiedene Schlupfsysteme. Wenn in einer dieser Richtungen keine Belastung angewendet wird, sind möglicherweise fünf Schlupfsysteme aktiv. In diesem Fall müssen auch andere Mechanismen vorhanden sein, um große Belastungen aufzunehmen.

Materialien mit niedrigem SFE verdoppeln sich auch bei Belastung. Wenn Verformungszwillinge mit regelmäßiger Scherverformung kombiniert werden, richten sich die Körner schließlich in Richtung einer bevorzugteren Ausrichtung aus. Wenn sich viele verschiedene Körner ausrichten, entsteht eine stark anisotrope Textur.

Anmerkungen

  1. ^ A. Kelly und KM Knowles, Kristallographie und Kristalldefekte , John Wiley & Sons, Ltd, Chichester, 2 nd Aufl., 2012, Kap. 9, S. 269–304.
  2. ^ a b c d e f Hertzberg, Richard W.; Vinci, Richard P.; Hertzberg, Jason L. (2013). Verformungs- und Bruchmechanik technischer Werkstoffe . John Wiley & Sons, Inc. p. 80. ISBN   978-0-470-52780-1 .
  3. ^ Luc Remy. Doktorarbeit, Universität Paris-Sud, Orsay, Frankreich, 1975.
  4. ^ Venables, JA (1964). Die Elektronenmikroskopie der Verformungszwillinge. Journal of Physics and Chemistry Solids, 25, 685 & ndash; 690.
  5. ^ Zhao, YH, Liao, YY, Zhu, YT (2005). Einfluss der Stapelfehlerenergie auf die Nanostruktur unter Hochdrucktorsion. Materials Science and Engineering A, 410-411, 188-193.
  6. ^ NV Ravi Kumar et al., Kornverfeinerung in einer Magnesiumlegierung AZ91 während der thermomechanischen Verarbeitung , Materials and Engineering A359 (2003), 150-157.
  7. ^ Lawrence E. Murr. Grenzflächenphänomene in Metallen und Legierungen. Addison-Wesley Pub. Co., 1975.
  8. ^ Rohatgi, A., Vecchio, K., Gray, G. (2001). Der Einfluss der Stapelfehlerenergie auf das mechanische Verhalten von Cu und Cu-Al-Legierungen: Verformungszwillinge, Kaltverfestigung und dynamische Rückgewinnung. Metallurgische und Materialtransaktionen A 32A, 135-145.
  9. ^ Zhao, YH, Liao, YY, Zhu, YT (2005). Einfluss der Stapelfehlerenergie auf die Nanostruktur unter Hochdrucktorsion. Materials Science and Engineering A, 410-411, 188-193.
  10. ^ Rohatgi, A., Vecchio, K., Gray, G. (2001). Der Einfluss der Stapelfehlerenergie auf das mechanische Verhalten von Cu und Cu-Al-Legierungen: Verformungszwillinge, Kaltverfestigung und dynamische Rückgewinnung. Metallurgische und Materialtransaktionen A 32A, 135-145.
  11. ^ Venables, JA (1964). Die Elektronenmikroskopie der Verformungszwillinge. Journal of Physics and Chemistry Solids, 25, 685 & ndash; 690.
  12. ^ Johari, O., Thomas, G. (1964). Substrate in explosionsartig verformten Cu- und CU-Al-Legierungen. Acta Metallurgica 12, (10), 1153 & ndash; 1159.
  13. ^ Thornton, PR, Mitchell, TE, Hirsch, PB (1962). Die Abhängigkeit des Kreuzschlupfes von der Stapelfehlerenergie in flächenzentrierten kubischen Metallen und Legierungen. Philosophical Magazine, 7, (80), 1349-1369.
  14. ^ Venables, JA (1964). Die Elektronenmikroskopie der Verformungszwillinge. Journal of Physics and Chemistry Solids, 25, 685 & ndash; 690.
  15. ^ Thornton, PR, Mitchell, TE, Hirsch, PB (1962). Die Abhängigkeit des Kreuzschlupfes von der Stapelfehlerenergie in flächenzentrierten kubischen Metallen und Legierungen. Philosophical Magazine, 7, (80), 1349-1369.
  16. ^ El-Danaf, E. (2012). Mechanische Eigenschaften, Mikrostruktur und Mikrotexturentwicklung für 1050AA, verformt durch gleiches Kanalwinkelpressen (ECAP) und Dehnungskompression nach ECAP-Ebene unter Verwendung von zwei Belastungsschemata. Materials and Design, 34, 793 & ndash; 807.
  17. ^ Rohatgi, A., Vecchio, K., Gray, G. (2001). Der Einfluss der Stapelfehlerenergie auf das mechanische Verhalten von Cu und Cu-Al-Legierungen: Verformungszwillinge, Kaltverfestigung und dynamische Rückgewinnung. Metallurgische und Materialtransaktionen A 32A, 135-145.
  18. ^ Venables, JA (1964). Die Elektronenmikroskopie der Verformungszwillinge. Journal of Physics and Chemistry Solids, 25, 685 & ndash; 690.
  19. ^ Johari, O., Thomas, G. (1964). Substrate in explosionsartig verformten Cu- und CU-Al-Legierungen. Acta Metallurgica 12, (10), 1153 & ndash; 1159.
  20. ^ Zhao, YH, Liao, YY, Zhu, YT (2005). Einfluss der Stapelfehlerenergie auf die Bildung von Nanostrukturen unter Hochdrucktorsion. Materials Science and Engineering A, 410-411, 188-193.
  21. ^ Dillamore, I., Butler, E., Green, D. (1968). Kristallrotationen unter Bedingungen einer auferlegten Dehnung und dem Einfluss von Zwillingen und Kreuzschlupf. Metal Science Journal, 2 (1), 161 & ndash; 167.
  22. ^ Groves, G., Kelly, A. (1963). Unabhängige Schlupfsysteme in Kristallen. Philosophical Magazine, 8 (89), 877-887.
  23. ^ Dillamore, I., Butler, E., Green, D. (1968). Kristallrotationen unter Bedingungen einer auferlegten Dehnung und dem Einfluss von Zwillingen und Kreuzschlupf. Metal Science Journal, 2 (1), 161 & ndash; 167.
  24. ^ Groves, G., Kelly, A. (1963). Unabhängige Schlupfsysteme in Kristallen. Philosophical Magazine, 8 (89), 877-887.
  25. ^ Smallman, R., Green, D. (1964). Die Abhängigkeit der Rolltextur von der Stapelfehlerenergie. Acta Metallurgica, 12 (2), 145 & ndash; 154.
  26. ^ Smallman, R., Green, D. (1964). Die Abhängigkeit der Rolltextur von der Stapelfehlerenergie. Acta Metallurgica, 12 (2), 145 & ndash; 154.
  27. ^ Dillamore, I., Butler, E., Green, D. (1968). Kristallrotationen unter Bedingungen einer auferlegten Dehnung und dem Einfluss von Zwillingen und Kreuzschlupf. Metal Science Journal, 2 (1), 161 & ndash; 167.
  28. ^ Heye, W., Wassermann, G. (1966). Mechanische Zwillingsbildung in kaltgewalzten Silberkristallen. Physica Status Solidi, 18 (2), K107-K111.