Rafinarea bobului

Figura 1: Întărirea Petch-Hall este limitată de densitatea dislocărilor. Odată ce mărimea cristalului ajunge la 10 µm , limitele granulelor încep să alunece.

Rafinarea cerealelor (sau întărirea Petch-Hall ) constă în reducerea dimensiunii bobului cristalin , de obicei pentru a întări un solid cristalin precum oțelul . Se bazează pe observația că limitele granulelor împiedică mișcarea dislocărilor și că densitatea lor în interiorul unui bob are efect asupra cât de ușor dislocările traversează limitele boabelor pentru a trece de la un bob la altul. Astfel, modificarea mărimii bobului poate afecta mișcarea luxațiilor și stresul de producție . De exemplu, unele modalități de a realiza acest lucru sunt tratamentele termice post- deformare plastică și creșterea ratei de solidificare. ^[1]

Teoria întăririi prin rafinament

Limitele de cereale acționează ca „ puncte de pivot ” împiedicând propagarea în continuare a dislocărilor. Deoarece boabele adiacente au o orientare diferită, este necesară mai multă energie pentru ca o dislocare să se deplaseze în boabele adiacente, deoarece trebuie să schimbe și direcția. Limita cerealelor este mult mai dezordonată decât interiorul cerealelor și acest lucru împiedică și luxațiile să se miște într-un plan continuu de curgere. Impedimentul acestei mișcări a luxațiilor va întârzia apariția deformațiilor plastice, adică va crește stresul de producție al materialului.

Prin aplicarea unei anumite tensiuni, luxațiile existente generate de sursele Frank-Read se vor deplasa printr-o rețea de cristal până când vor atinge o graniță a granulelor, unde schimbarea mare de fază atomică între diferite boabe creează o tensiune respingătoare care se opune continuării mișcării dislocarea. Dacă mai multe luxații se îndreaptă spre această graniță, există o „acumulare” a luxațiilor incapabile să o traverseze. Deoarece luxațiile generează un câmp de tensiune respingător, fiecare dislocare ulterioară va aplica o forță respingătoare luxației care se ciocnește cu limita granulelor. Aceste forțe respingătoare acționează ca o forță motrice pentru a reduce bariera energetică pentru difuzie peste graniță și, în plus, trebuie considerat că suprapunerea suplimentară determină difuzia dislocărilor peste granița bobului, permițând o deformare suplimentară a materialului. Reducerea diametrului bobului scade cantitatea de suprapuneri limită posibile, crescând cea a tensiunilor aplicate necesare pentru a deplasa o dislocare peste o graniță bob. Cu cât este mai mare stresul aplicat pentru a muta luxația, cu atât va crește stresul de randament. În cele din urmă, se încheie cu afirmația că există, prin urmare, o proporționalitate inversă între mărimea boabelor și stresul de randament, așa cum va fi demonstrat de ecuația Petch-Hall. Cu toate acestea, atunci când există o schimbare radicală în orientarea a două boabe adiacente, luxațiile nu se pot deplasa neapărat de la un boab la altul, ci în schimb creează o nouă sursă de luxații în boabele adiacente. Teoria rămâne aceeași atunci când mai multe limite de cereale creează o opoziție mai mare față de mișcarea dislocărilor și duc la o întărire a materialului.

Evident, există o limită a acestui mod de întărire, deoarece nu există materiale infinit de rezistente. Dimensiunile boabelor pot varia de la aproximativ 100 microni (granule grosiere) la 1 microni (boabe fine). Sub acestea, dimensiunea dislocărilor începe să fie comparabilă cu dimensiunea boabelor. La dimensiunea bobului de aproximativ 10 microni, ^[2] numai una sau două luxații se pot încadra în bob (vezi Figura 1 de mai jos). Această schemă interzice acumularea de luxații și nu are ca rezultat niciodată difuzie peste granița de cereale. Rețeaua compune solicitările aplicate cu o alunecare a limitei granulelor, care devine o scădere a tensiunii de producție a materialului.

Pentru a înțelege mecanismul consolidării rafinării cerealelor, trebuie să înțelegem natura interacțiunilor luxație-luxație. Dislocările creează un câmp de tensiuni în jurul lor dat de:

\sigma \propto Gbln({\dfrac {r}{r_{0}}})

{\ displaystyle \ sigma \ propto Gbln ({\ dfrac {r} {r_ {0}}})}

{\ displaystyle \ sigma \ propto Gbln ({\ dfrac {r} {r_ {0}}})}

,

unde G este modulul de forfecare al materialului și b este vectorul Burgers . Dacă luxațiile se află în alinierea corectă între ele, câmpurile de forță locale pe care le creează vor anihila. acest lucru ajută la mișcarea luxațiilor peste granule și limitele acestora. Prin urmare, cu cât sunt mai multe dislocări pe un bob, cu atât sunt mai mari câmpurile de forță experimentate de o dislocare lângă o graniță a bobului:

\tau _{felt}=\tau _{applied}+n_{dislocation}\tau _{dislocation}

{\ displaystyle \ tau _ {felt} = \ tau _ {aplicat} + n_ {dislocare} \ tau _ {dislocare}}

{\ displaystyle \ tau _ {felt} = \ tau _ {applied} + n_ {dislocation} \ tau _ {dislocation}}

Întărirea subgranulară

Un subgrain este o parte a bobului care este doar slab compensată de celelalte părți ale bobului. ^[3] Cercetările sunt în curs de desfășurare pentru a observa efectul unei întăriri subgranulare a materialelor. De exemplu, atunci când materialele pe bază de Fe sunt măcinate pentru perioade lungi (de exemplu, peste 100 de ore), se observă formarea subgrainelor de 60-90 nm. S-a dovedit că, cu cât densitatea subgrainului este mai mare, cu atât este mai mare solicitarea materialului datorită creșterii marginilor subgrainului. S-a constatat că rezistența metalului variază reciproc cu dimensiunea subgrainului, similar cu ecuația Petch-Hall. Întărirea limitei subgrainului are, de asemenea, un punct de prăbușire la o dimensiune a subgrainului de aproximativ 0,1 nm, care este limita la care una mai mică ar reduce stresul de randament. [1] .

Ecuația Petch-Hall

Constantele Petch-Hall ^[4]
Material	σ _sau [MPa]	k [MPa m ^1/2 ]
Cupru	25	0,11
Titan	80	0,40
Oțel moale	70	0,74
Ni ₃ Al	300	1,70

Există o relație inversă între delta tensiunii de producție și mărimea granulelor la o anumită tensiune, x .

\Delta \tau \propto {k \over {d^{x}}}

{\ displaystyle \ Delta \ tau \ propto {k \ over {d ^ {x}}}}

{\ displaystyle \ Delta \ tau \ propto {k \ over {d ^ {x}}}}

unde k este coeficientul de întărire a muncii, care la fel ca x este specific materialului. Cu cât dimensiunea medie a bobului este mai mică, cu atât este mai mică tensiunea respingătoare suferită de o dislocare la limita bobului și cu atât este mai mare tensiunea aplicată necesară pentru ca deplasarea să se propage prin material.

Relația dintre stresul de producție și mărimea granulelor este descrisă analitic prin ecuația Petch-Hall ^[5]

\sigma _{y}=\sigma _{0}+{k_{y} \over {\sqrt {d}}}

{\ displaystyle \ sigma _ {y} = \ sigma _ {0} + {k_ {y} \ over {\ sqrt {d}}}}

{\ displaystyle \ sigma _ {y} = \ sigma _ {0} + {k_ {y} \ over {\ sqrt {d}}}}

unde σ _y este tensiunea de curgere, σ _o este o constantă materială pentru tensiunea inițială de mișcare a luxațiilor (sau rezistența rețelei la mișcarea luxațiilor), k _y este rata de întărire a muncii (o constantă unică pentru fiecare material), și d este diametrul mediu al bobului.

Teoretic, un material ar putea fi infinit de rezistent dacă boabele ar fi făcute infinit de mici. Cu toate acestea, acest lucru este imposibil, deoarece limita inferioară a mărimii bobului este celula unică a materialului. Și oricum, dacă boabele unui material au dimensiunea unei singure celule unitare, materialul este de fapt amorf , nu cristalin, deoarece nu există o ordine pe termen lung, iar luxațiile nu pot fi definite într-un astfel de material. S-a observat experimental că microstructura cu un randament mai ridicat posedă o mărime a bobului de aproximativ 10 nm, deoarece boabele mai mici declanșează un alt mecanism de randament, alunecarea la limita granulelor. ^[2] Ingineria materialelor cu această mărime ideală a granulelor este totuși dificilă și ca atare se pot produce numai pelicule subțiri cu această grosime.

Istorie

La începutul anilor 1950, două serii de articole au fost scrise independent despre relația dintre mărimea bobului și rezistența mecanică:

În 1951, la Universitatea din Sheffield , EO Hall a scris trei publicații care au apărut în volumul 64 din Proceedings of the Physical Society . În cea de-a treia publicație, Hall a arătat că lungimea benzilor de alunecare sau a lungimilor de așezare corespundea mărimii bobului și, ca atare, ar putea fi stabilită o relație între cele două. Hall s-a axat pe proprietățile de producție ale oțelurilor ușoare .

Pe baza lucrărilor sale experimentale din 1946–1949, NJ Petch de la Universitatea din Leeds a publicat un articol în 1953 independent de al lui Hall, concentrându-se pe fractura fragilă . Măsurând schimbarea diferenței de rezistență la dimensiunea granulelor feritice la temperaturi foarte scăzute, Petch a găsit o relație care corespunde exact cu cea a lui Hall. Prin urmare, această ecuație importantă a fost dedicată atât lui Hall, cât și lui Petch.

Relația inversă Petch-Hall

Ecuația Petch-Hall s-a dovedit experimental a fi un model eficient pentru materiale cu dimensiuni ale granulelor cuprinse între 1 mm și 1 µm . În consecință, s-a crezut că dacă diametrul mediu al bobului ar fi putut scădea dincolo de scara nanometrică , stresul de randament ar fi continuat să crească. Cu toate acestea, experimentele pe multe materiale nanocristaline au arătat că, dacă boabele au atins o dimensiune suficient de mică, sub dimensiunea critică a boabelor, care este în mod obișnuit mai mică de 100 µm, stresul de randament ar rămâne constant sau chiar ar scădea cu dimensiunea boabelor. ^[6] Acest fenomen a fost denumit relația inversă Petch-Hall. Au fost propuse o varietate de mecanisme care stau la baza acestei relații. După cum sugerează Carlton și colab. acestea se împart în patru categorii, pe baza: ^[7]

Dislocări
Difuzie
Derulări ale marginii cerealelor
Sisteme bifazate .

Alte explicații care au fost propuse pentru raționalizarea distensiei aparente a metalelor nanogranulare includ o calitate scăzută a eșantionului și suprimarea suprapunerilor de luxație. ^[8]

Multe dintre măsurătorile timpurii ale efectului invers Petch-Hall au rezultat de fapt din discrepanțe nerecunoscute în exemplare. Prezența golurilor în metalele nanocristaline ar fi, fără îndoială, legată de proprietățile lor mecanice inferioare.

Suprapunerea luxațiilor la granița granulei este un mecanism care caracterizează relația Petch-Hall. Odată ce mărimile granulelor scad sub distanța de echilibru dintre luxații, prin urmare, această relație nu ar mai trebui să se mențină și, în orice caz, nu este pe deplin clar ce anume ar trebui să existe dependența stresului de randament de mărimea bobului.

Rafinarea bobului

Rafinarea cerealelor, cunoscută și sub denumirea de inoculare , ^[9] este ansamblul tehnicilor utilizate pentru implementarea consolidării rafinamentului cerealelor în metalurgie . Tehnicile specifice și mecanismul corespunzător vor varia în funcție de materialele luate în considerare.

O metodă de control al mărimii bobului în aliajele de aluminiu este introducerea particulelor ca agenți de nuclere, de exemplu 5% Ti . Boabele vor crește prin nucleație eterogenă ; adică, pentru un anumit grad de subrăcire a temperaturii de topire, particulele de aluminiu din bazinul de topitură se vor nuclea pe suprafața particulelor adăugate. Boabele vor crește dendritic dezvoltându-se radial pornind de la suprafața nucleantului. Se pot adăuga particule de solut (numite rafinatoare de cereale) care limitează creșterea dendritică ducând astfel indirect la rafinarea cerealelor. ^[10] TiB2 este un nucleant obișnuit cu granule pentru aliajele de aluminiu; cu toate acestea, au fost sugerați unii agenți nucleari noi, cum ar fi Al3Sc.

O tehnică obișnuită constă în inducerea unei mici fracțiuni a băii să se solidifice la o temperatură mult mai mare decât restul; aceasta va genera cristale de semințe care vor acționa ca un suport atunci când restul materialului cade la temperatura sa de topire și începe să se solidifice. Deoarece se produce un număr imens de cristale nucleatoare, rezultă un număr egal de boabe cristaline , iar dimensiunea fiecărui bob este limitată.

Inoculanți tipici pentru diferite aliaje de turnătorie ^[9]
Metal	Inoculant
Fontă	FeSi, SiCa, grafit
Aliaje de Mg	Zr , C
Cu aliaje	Fe , Co , Zr
Aliaje de Al - Da	P , Ti , B
Aliaje Pb	Ca , Te
Aliaje Zn	Tu
Aliaje Ti	aluminiu - titan intermetalic

Notă

^ WD Callister. Fundamentele științei și ingineriei materialelor, ediția a II-a. Wiley & Sons. pp. 252.
^ ^a ^b Christopher Schuh, Nieh, TG, Duritatea și rezistența la abraziune a aliajelor nanocristaline de nichel în apropierea regimului de defalcare Hall-Petch , în Mat. Res. Soc. Symp. Proc. , Vol. 740, 2003.
^ subgrain: Definiție din Answers.com
^ Smith și Hashemi , p. 243 .
^ Smith și Hashemi , p. 242 .
^ Conrad H, Narayan J. Despre înmuierea mărimii granulelor în materiale nanocristaline. Scripta Mater 2000; 42 (11): 1025-30.
^ Carlton C, Ferreira PJ Ce se află în spatele comportamentului invers Hall-Petch în materialele nanocristaline? Mater. Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 976 (2007) Societatea de cercetare a materialelor
^ J. Schiotz, FD Di Tolla, KW Jacobsen. Înmuierea metalelor nanocristaline la granule foarte mici. Natură. 391 (1998), p.561.
^ ^a ^b Doru Michael Stefanescu, Science and engineering of casting solidification , Springer, 2002, p. 265, ISBN 978-0-306-46750-9 .
^ KT Kashyap și T. Chandrashekar, „Efecte și mecanisme de rafinare a cerealelor în aliajele de aluminiu”, Buletinul științei materialelor, vol. 24, august 2001

Bibliografie

William F. Smith și Javad Hashemi, Fundamentele științei și ingineriei materialelor , 4, McGraw-Hill, 2006, ISBN 0-07-295358-6 .

Elemente conexe

Surse de Frank-Read

linkuri externe

Întărirea prin rafinarea cerealelor în alumină cu impurități de pământuri rare , pe sciencemag.org .
( EN ) Mecanismul de rafinare a cerealelor în oțel , pe springerlink.com . Adus la 27 octombrie 2020 (Arhivat din original la 22 martie 2016) .
O cutie de instrumente Matlab open source pentru analiza transferului de alunecare prin limitele granulelor , la stabix.readthedocs.org .

[Callister-1] WD Callister. Fundamentele științei și ingineriei materialelor, ediția a II-a. Wiley & Sons. pp. 252.

[Grain_boundary_sliding-2] Christopher Schuh, Nieh, TG, Duritatea și rezistența la abraziune a aliajelor nanocristaline de nichel în apropierea regimului de defalcare Hall-Petch , în Mat. Res. Soc. Symp. Proc. , Vol. 740, 2003.

[3] subgrain: Definiție din Answers.com

[4] Smith și Hashemi , p. 243 .

[5] Smith și Hashemi , p. 242 .

[Conrad-6] Conrad H, Narayan J. Despre înmuierea mărimii granulelor în materiale nanocristaline. Scripta Mater 2000; 42 (11): 1025-30.

[Carlton-7] Carlton C, Ferreira PJ Ce se află în spatele comportamentului invers Hall-Petch în materialele nanocristaline? Mater. Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 976 (2007) Societatea de cercetare a materialelor

[Schiotz2-8] J. Schiotz, FD Di Tolla, KW Jacobsen. Înmuierea metalelor nanocristaline la granule foarte mici. Natură. 391 (1998), p.561.

[stefanescu-9] Doru Michael Stefanescu, Science and engineering of casting solidification , Springer, 2002, p. 265, ISBN 978-0-306-46750-9 .

[10] KT Kashyap și T. Chandrashekar, „Efecte și mecanisme de rafinare a cerealelor în aliajele de aluminiu”, Buletinul științei materialelor, vol. 24, august 2001

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]