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材料科学における動的ひずみ時効（DSA）は、移動する転位と拡散する溶質の相互作用に関連する、材料の塑性流動における不安定性です。動的ひずみ時効は、ポルテバン・ルシャトリエ効果（または鋸歯状降伏）と互換的に使用されることもありますが、動的ひずみ時効は、特にポルテバン・ルシャトリエ効果を引き起こす微視的メカニズムを指します。この強化メカニズムは固溶体強化に関連しており、特定の温度範囲とひずみ速度内で、さまざまなfccおよびbcc置換型および格子間型合金、シリコンなどの半金属、および規則性金属間化合物で観察されています。[1]
メカニズムの説明
材料における転位の運動は不連続なプロセスである。転位が塑性変形中に障害物（粒子やフォレスト転位など）に遭遇すると、一時的に一定時間停止する。この間、溶質（格子間粒子や置換不純物など）が固定された転位の周囲に拡散し、障害物による転位の保持力がさらに強化される。最終的に、これらの転位は十分な応力で障害物を乗り越え、次の障害物に素早く移動して停止し、このプロセスを繰り返すことができる。[2]このプロセスの最もよく知られたマクロ的な発現は、リューダース帯とポルテヴァン・ルシャトリエ効果である。しかし、このメカニズムは、これらの物理的観察がなくても材料に影響を与えることが知られている。[3]
置換溶質DSAのモデル
置換型溶質元素を含む金属合金、例えばアルミニウム-マグネシウム合金では、動的ひずみ時効により負のひずみ速度感受性が生じ、塑性流動が不安定になる。 [4]転位周囲の溶質元素の拡散は、溶質原子を転位のすべり面を横切って移動させるのに必要なエネルギーに基づいてモデル化できる。 [5]刃状転位は、すべり面上では圧縮、下側では引張の応力場を生成する。[6] Al-Mg合金では、Mg原子はAl原子よりも大きく、転位すべり面の引張側ではエネルギーが低いため、刃状転位付近のMg原子はすべり面を横切って拡散するように駆動される（図を参照）。[5] [4]結果として生じるすべり面上の溶質濃度が低い領域により、固定された転位付近の領域の材料が弱くなり、転位が再び可動になったときに、転位を動かすために必要な応力が一時的に減少する。この効果は、応力-ひずみ曲線の鋸歯状構造として現れることがある（ポルテヴァン-ルシャトリエ効果）。[4]
溶質の拡散は熱によって活性化されるため、温度の上昇により転位核の周りの拡散速度と拡散範囲が増加する可能性があります。これにより、より深刻な応力低下が生じ、典型的にはタイプAからタイプCの鋸歯状構造への移行が見られます。[7]
材料特性の影響
ポルテヴァン・ルシャトリエ効果によって生じる応力-ひずみ曲線の鋸歯状化は、動的ひずみ時効の最も目に見える効果ですが、この効果が見られない場合にも他の効果が存在する可能性があります。[3]鋸歯状の流れが見られない場合、動的ひずみ時効は、ひずみ速度に対する感度が低いことで特徴付けられることがよくあります。これは、ポルテヴァン・ルシャトリエ領域では負になります。[8]動的ひずみ時効は、強度のプラトー、流動応力のピーク[9] 、加工硬化のピーク、ホールペッチ定数のピーク、および温度による延性の変化の最小化も引き起こします。 [10]動的ひずみ時効は硬化現象であるため、材料の強度を高めます。[10]
DSAに対する合金元素の影響
相互作用経路によって 2 つのカテゴリを区別できます。炭素 (C) や窒素 (N) などの最初のクラスの元素は、格子を通して十分に速く拡散して転位を固定することで、DSA に直接寄与します。このような効果は、元素の溶解度、拡散係数、および元素と転位間の相互作用エネルギー、つまり転位固定の重大度によって決まります。
DSAセレーションの種類
セレーションの応力-ひずみ関係の出現に応じて、少なくとも 5 つのクラスを識別できます。
タイプA
このタイプは、せん断帯の繰り返し核形成とリューダース帯の連続伝播から生じ、流動応力の急激な増加とそれに続く応力-ひずみ曲線の一般的なレベル以下の応力低下を伴う周期的なロッキングセレーションで構成されます。これは通常、DS 領域の低温 (高ひずみ速度) 部分で見られます。
タイプB
狭いせん断帯の核生成から生じ、不連続に伝播するか、隣接する核生成サイトのために伝播しないため、フロー曲線の一般的なレベルを中心に振動します。タイプ A よりも高温または低ひずみ速度で発生します。また、高ひずみになるとタイプ A から発生することもあります。
タイプC
転位のロック解除により、タイプ C の応力降下は流動曲線の一般的なレベルを下回ります。これは、タイプ A および B と比較して、さらに高い温度と低いひずみで発生します。
タイプD
加工硬化がない場合、応力-ひずみ曲線に平坦部が見られるため、階段型とも呼ばれます。この型は、タイプ B との混合モードを形成します。
タイプE
E型はA型の後に高ひずみで発生するため、認識するのは容易ではありません。
動的ひずみ老化の材料固有の例
動的ひずみ老化は、次のような特定の材料の問題に関連していることがわかっています。
- Al-Li合金の破壊抵抗を低下させる。[1]
- オーステナイト系ステンレス鋼および超合金の低サイクル疲労寿命は、その材料が使用される液体金属冷却高速増殖炉の使用条件に類似した試験条件下で低下する。 [11]
- RPC鋼の破壊靭性を30～40%低下させ、空気疲労寿命を短縮し、過酷な環境での鋼の割れ耐性を悪化させる可能性がある。RPC鋼の高温水中での環境助長生成に対する感受性は、DSA挙動と一致している[12]
- PLC特有の問題としては、鋼鉄の青脆性、延性の低下、成形されたアルミニウムマグネシウム合金の表面仕上げ不良などがある。[13]
参照
参考文献
- ^ ab Mesarovic, Sinisa (1995)「動的ひずみ老化と塑性不安定性」J. Mech. Phys. Solids 43 :671–701 No. 5
- ^ Van Den Beukel, A. (1975)「動的ひずみ老化が機械的性質に及ぼす影響の理論」Phys. Stat. Sol. (a) 30 197 :
- ^ ab Atkinson, JD および Yu, J.(1997)「圧力容器鋼で観察される環境誘起割れにおける動的ひずみ時効の役割」疲労破壊工学材料構造 Vol.20 No. 1 :1–12
- ^ abc Aboulfadi, H., Deges, J., Choi, P., Raabe, D. (2015)「原子スケールでの動的ひずみ老化の研究」Acta Materialia 86 :34-42
- ^ ab Curtin, WA, Olmsted, DL, Hector Jr., LG (2006)「アルミニウム-マグネシウム合金の動的ひずみ老化の予測メカニズム」Nature Materials 5 :875-880
- ^ Cai, W., Nix, WD (2016)「結晶固体の欠陥」ケンブリッジ大学出版局、ISBN 978-1-107-12313-7
- ^ Pink, E., Grinberg, A. (1981)「フェライト系ステンレス鋼の鋸歯状流動」Materials Science and Engineering 51号 1、p.1-8
- ^ ハーナー、ピーター (1996)「ポルテヴァン・ルシャトリエ効果の物理学について パート 1: 動的ひずみ老化の統計」材料科学と工学 A207 :
- ^ Mannan, SL(1993)「低サイクル疲労における動的ひずみ老化の役割」Material Science vol 16 no 5 :561–582
- ^ ab Samuel, KG, Mannan, SL, Rodriguez, P (1996)「動的ひずみ老化のもう一つの兆候」Journal of Materials Science Letters 15 :1697-1699
- ^ 2) Mannan, SL、「低サイクル疲労における動的ひずみ老化の役割」Material Science vol 16 no 5 December 1993 p561-582
- ^ Atkinson, JD および Yu, J.「圧力容器鋼で観察される環境誘起割れにおける動的ひずみ時効の役割」Fatigue Fractur Engeg. Materis Struct. Vol. 20 No. 1 pp1-12 1997
- ^ Abbadi, M., Hahner, P., Zeghloul, A.、「応力制御およびひずみ制御引張試験におけるアルミニウム合金 5182 の Portevin-Le Chatelier 帯の特性について」Materials Science and Engineering A337、2002、p 194-201