キンク（材料科学）

キンクは、転位 欠陥のすべり面に沿った偏差です。刃状転位では、一定のすべり面により、転位の短い領域が回転し、らせん転位に変換されてキンクが発生します。らせん転位には回転可能なすべり面があるため、らせん転位に沿って生成されたキンクはすべり面のアンカーとして機能します。^{[1]キンクは}ジョグとは異なり、キンクはすべり面と厳密に平行ですが、ジョグはすべり面から離れます。

純粋刃状転位とらせん転位は、その長さとそれを通じてシステムのひずみエネルギーを最小限に抑えるために、概念的には直線になっています。一方、低角混合転位は、階段状の構造でらせん状のキンクを持つ刃状転位（またはその逆）であると考えられ、直線状の純粋刃状転位と純粋らせん転位のセグメントの間で切り替わります。実際には、キンクは鋭い遷移ではありません。転位の全長とキンクの角度は、システムの自由エネルギーに依存します。主な転位領域はパイエルス・ナバロポテンシャルの最小値にあり、キンクにはエネルギーピークの形で追加のエネルギーが必要です。自由エネルギーを最小限に抑えるために、キンクは特定の長さと角度で平衡になります。エネルギーピークが大きいと、高エネルギー領域内での転位の長さを最小限に抑えるために短くて鋭いキンクが作成され、エネルギーピークが小さいと、転位の総長さを最小限に抑えるために長く引き伸ばされたキンクが作成されます。^[2]

キンクは、せん断応力下で転位がそのすべり面に沿って移動するのを促進し、結晶の塑性変形に直接関与しています。結晶がせん断力を受けると、たとえばハサミで切断されると、加えられたせん断力によって転位が材料内を移動し、原子が移動して材料が変形します。転位全体が一度に動くのではなく、転位によって一対のキンクが生成され、それが転位の長さに沿って反対方向に伝播し、最終的にバーガース ベクトルによって転位全体が移動します。キンクの伝播による転位の速度も、キンクの核生成頻度に明らかに制限されます。キンクがないと、転位が移動するメカニズムが損なわれるためです。

せん断力が無限大に近づくと、転位が移動する速度は材料の物理的特性によって制限され、材料の音速で最大になります。せん断応力が低い場合、転位の速度は適用されるせん断力と指数関数的に関係することになります。

${\displaystyle v_{0}=C\tau ^{p},\,\!}$

どこ

${\displaystyle \tau}$せん断力が加わる

${\displaystyle C}$実験的に発見された定数である${\displaystyle p}$

上記の式は転位の速度の上限を示しています。転位の運動が周囲の環境、特にジョグや析出物などの他の欠陥と相互作用すると、抵抗が生じて転位の速度が遅くなります。^[3]

${\displaystyle v_{D}=v_{0}e^{-D/\tau },\,\!}$

どこ

${\displaystyle D}$結晶の抗力パラメータである

キンクの動きも温度に大きく依存します。熱エネルギーが高いと、キンクの生成が促進されるだけでなく、原子の振動が増加し、転位の動きが促進されます。

キンクは、圧縮応力下で結晶面が空洞に座屈することによっても形成されることがあります。高い圧縮力では、転位の塊が一度に移動します。キンクは互いに整列し、キンクの壁を形成し、それが一度に伝播します。^[4]十分な力がかかると、転位コアによって生成される引張力が材料の破壊応力を超え、キンク境界が鋭いキンクに結合され、結晶の基底面が剥離します。