部分脱臼

材料科学において、部分転位は結晶材料内で発生する転位の分解された形態です。拡張転位は、一対の部分転位に分解した転位です。部分転位のバーガース ベクトルのベクトル和は、拡張転位のバーガース ベクトルです。

転位は、部分転位の合計のエネルギー状態が元の転位のエネルギー状態よりも小さい場合、部分転位に分解されます。これは、フランクのエネルギー基準によって要約されます。

${\displaystyle {\begin{aligned}|{\boldsymbol {b_{1}}}|^{2}>&|{\boldsymbol {b_{2}}}|^{2}+|{\boldsymbol {b_{3}}}|^{2}{\text{ (favorable, will decompose)}}\\|{\boldsymbol {b_{1}}}|^{2}<&|{\boldsymbol {b_{2}}}|^{2}+|{\boldsymbol {b_{3}}}|^{2}{\text{ (not favorable, will not decompose)}}\\|{\boldsymbol {b_{1}}}|^{2}=&|{\boldsymbol {b_{2}}}|^{2}+|{\boldsymbol {b_{3}}}|^{2}{\text{ (will remain in original state)}}\end{aligned}}}$

ショックレー部分転位は、一般的に、積層欠陥の存在につながる可能性がある一対の転位を指します。この一対の部分転位は、原子運動の代替経路を許可することで転位運動を可能にします。

${\displaystyle {\begin{aligned}{\boldsymbol {b_{1}}}\rightarrow {\boldsymbol {b_{2}}}+{\boldsymbol {b_{3}}}\end{aligned}}}$

FCC システムにおけるショックレー分解の例は次のようになります。

${\displaystyle {\begin{aligned}{\frac {a}{2}}[10{\overline {1}}]\rightarrow {\frac {a}{6}}[2{\overline {1}}{\overline {1}}]+{\frac {a}{6}}[11{\overline {2}}]\end{aligned}}}$

エネルギー的に好ましいのは:

${\displaystyle {\begin{aligned}|{\frac {a}{2}}{\sqrt {1^{2}+0^{2}+(-1)^{2}}}|^{2}>&|{\frac {a}{6}}{\sqrt {2^{2}+(-1)^{2}+(-1)^{2}}}|^{2}+|{\frac {a}{6}}{\sqrt {1^{2}+1^{2}+(-2)^{2}}}|^{2}\\{\frac {a^{2}}{2}}>&{\frac {a^{2}}{6}}+{\frac {a^{2}}{6}}\end{aligned}}}$

ショックレー部分分布の成分は、分解される元のベクトルに加算される必要があります。

${\displaystyle {\begin{aligned}{\frac {a}{2}}(1)=&{\frac {a}{6}}(2)+{\frac {a}{6}}(1)\\{\frac {a}{2}}(0)=&{\frac {a}{6}}(-1)+{\frac {a}{6}}(1)\\{\frac {a}{2}}(-1)=&{\frac {a}{6}}(-1)+{\frac {a}{6}}(-2)\end{aligned}}}$

フランク部分転位は静止しているが、原子の拡散によって動くことができる。^[1] FCC系では、フランク部分転位は次のように表される。

${\displaystyle {\begin{aligned}{\boldsymbol {b}}_{\text{frank}}=&{\frac {a}{3}}[{\text{1 1 1}}]\end{aligned}}}$

FCC結晶の場合、トムソン四面体またはトムソン表記法は、部分転位をより簡単に記述するために考案された表記法です。与えられた単位格子において、原点に点A、a/2[110]に点B、a/2[011]に点C、a/2[101]に点Dをマークします。これらの点は四面体の頂点を形成します。次に、各点の反対側の面の中心をそれぞれα、β、γ、δとしてマークします。^[2]これで、トムソン四面体の幾何学的表現が完成します。

ローマ字の任意の組み合わせは、FCC結晶の{111}滑り面のメンバーを表します。2つのローマ字から作られたベクトルは、完全転位のバーガースベクトルを表します。ベクトルがローマ字とギリシャ文字から作られている場合、文字が対応していればフランク部分転位（Aα、Bβ、...）であり、そうでない場合はショックレー部分転位（Aβ、Aγ、...）です。2つのギリシャ文字から作られたベクトルは、階段ロッド転位を表します。トムソン表記法を使用すると、バーガースベクトルを追加して他の転位やメカニズムを説明できます。たとえば、2つのショックレー部分転位を追加して完全転位を形成できます：Aβ + βC = AC。^[2]特定の操作の内部の文字が一致する必要がありますが、より複雑なメカニズムを説明するために、多数の文字を順番に追加することができます。

この情報を展開したトンプソン四面体を使用して要約すると便利です。

ロマー・コットレル転位は、より複雑な転位反応によって形成されます。たとえば、2 つの拡張転位、DB = Dγ + γB と BC = Bδ + δC を考えます。これらが出会うと、単一の転位を形成する方がエネルギー的に有利です。DC = DB + BC = Dγ + γB + Bδ + δC = Dγ + γδ + δC。拡張した各転位の後続部分は、階段棒部分を形成します。この構造により、コア構造が非平面 (つまり、四面体の表面に沿って交差しない) であるため、転位の移動度が低下します。^[2]この移動度の低下により、ロマー・コットレル転位が他の転位の障害物となり、材料が強化されます。

積層欠陥を形成する際、部分転位間の反発エネルギーが積層欠陥の引力エネルギーと一致すると、部分転位は平衡状態に達します。つまり、積層欠陥エネルギーが高い材料、つまりせん断弾性率が高くバーガースベクトルが大きい材料では、部分転位間の距離が小さくなります。逆に、積層欠陥エネルギーが低い材料では、部分転位間の距離は大きくなります。^[3]

交差滑りを起こすには、両方の部分転位が滑り面を変える必要がある。一般的なフリーデル・エスケーグ機構では、異なる滑り面に交差滑りする前に、部分転位が一点で再結合する必要がある。^[2]部分転位を一緒にするには、それらの間の距離を縮めるのに十分なせん断応力を加える必要があるため、スタッキングフォールトエネルギーが低い部分転位は本質的に一緒にするのが難しく、したがって交差滑りも難しくなる。^{[3] [4]}逆に、スタッキングフォールトエネルギーが高い材料は交差滑りしやすくなります。

転位が交差すべりしやすくなるほど、転位は障害物を自由に回避できるため、加工硬化が難しくなります。したがって、交差すべりしやすい材料 (積層欠陥エネルギーが高い) では、固溶強化などの方法による加工硬化と強化が少なくなります。