Streckgrenzenanomalie – Wikipedia

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In der Materialwissenschaft ist die Streckgrenzenanomalie bezieht sich auf Materialien, bei denen die Streckgrenze (dh die Spannung, die zum Auslösen des plastischen Nachgebens erforderlich ist) mit der Temperatur zunimmt.[1][2][3]

Bei den meisten Werkstoffen nimmt die Streckgrenze mit steigender Temperatur ab. Bei Metallen ist diese Abnahme der Streckgrenze auf die thermische Aktivierung der Versetzungsbewegung zurückzuführen, was zu einer leichteren plastischen Verformung bei höheren Temperaturen führt.[4]

In einigen Fällen bezieht sich eine Streckgrenzenanomalie auf eine Abnahme der Duktilität eines Materials mit steigender Temperatur, was bei den meisten Materialien auch gegenläufig ist. Anomalien in der Duktilität können deutlicher sein, da ein anomaler Effekt auf die Streckgrenze durch seine typische Abnahme mit der Temperatur verdeckt werden kann.[5] Zusammen mit Streckgrenzen- oder Duktilitätsanomalien zeigen einige Materialien Extrema in anderen temperaturabhängigen Eigenschaften, wie z. B. ein Minimum bei der Ultraschalldämpfung oder ein Maximum bei der elektrischen Leitfähigkeit.[6]

Die Streckgrenzenanomalie bei β-Messing war eine der frühesten Entdeckungen eines solchen Phänomens,[7] und mehrere andere geordnete intermetallische Legierungen zeigen diesen Effekt. Ausscheidungsgehärtete Superlegierungen zeigen eine Streckgrenzenanomalie über einen beträchtlichen Temperaturbereich. Bei diesen Materialien variiert die Streckgrenze zwischen Raumtemperatur und mehreren hundert Grad Celsius kaum. Schließlich wird eine maximale Streckgrenze erreicht. Bei noch höheren Temperaturen sinkt die Streckgrenze und sinkt schließlich bei Erreichen der Schmelztemperatur auf Null, wo der Feststoff in eine Flüssigkeit übergeht. Bei geordneten intermetallischen Verbindungen beträgt die Temperatur des Streckgrenzenpeaks etwa 50 % der absoluten Schmelztemperatur.[8]

Mechanismen[edit]

Thermisch aktivierter Querschlupf[edit]

Eine Reihe von Legierungen mit dem L12 Struktur (z.B, Ni3Al, Ni3Ga, Ni3Ge, Ni3Si), zeigen Streckgrenzenanomalien.[9] Die L12 Struktur ist eine Ableitung der kubisch-flächenzentrierten Kristallstruktur. Bei diesen Legierungen beträgt das aktive Gleitsystem unterhalb des Peaks 110⟩{111}, während das aktive System bei höheren Temperaturen ⟨110⟩{010} beträgt. Der Härtungsmechanismus dieser Legierungen ist das Kreuzgleiten von Schraubenversetzungen von (111) zu (010) kristallographischen Ebenen.[10] Dieser Querschlupf wird thermisch aktiviert und die Schneckenversetzungen sind auf den (010)-Ebenen viel weniger beweglich, so dass das Material bei steigenden Temperaturen verfestigt wird und sich mehr Schneckenversetzungen in der (010)-Ebene befinden. Ein ähnlicher Mechanismus wurde für einige B2-Legierungen vorgeschlagen, die Streckgrenzenanomalien aufweisen (z.B, CuZn, FeCo, NiTi, CoHf, CoTi, CoZr).[8]

Der Mechanismus der Streckgrenzenanomalie in Superlegierungen auf Ni-Basis ist ähnlich.[11] In diesen Legierungen unterliegen Schraubensuperdislokationen einem thermisch aktivierten Kreuzgleiten auf {100}-Ebenen von {111}-Ebenen. Dies verhindert eine Bewegung der verbleibenden Teile der Versetzungen auf der (111)[-101] Slip-System. Auch hier tritt mit steigender Temperatur mehr Querschlupf auf, so dass die Versetzungsbewegung stärker behindert wird und die Streckgrenze steigt.

Niederschlag an der Korngrenze[edit]

In durch Metallcarbide verstärkten Superlegierungen bilden sich bevorzugt an Korngrenzen immer größere Carbidpartikel, die bei hohen Temperaturen ein Korngrenzengleiten verhindern. Dies führt zu einer Erhöhung der Streckgrenze und damit zu einer Streckgrenzenanomalie.[5]

Vakanzaktivierte Stärkung[edit]

Obwohl FeAl eine B2-Legierung ist, ist die beobachtete Streckgrenzenanomalie bei FeAl auf einen anderen Mechanismus zurückzuführen. Wäre Kreuzschlupf der Mechanismus, dann wäre die Streckgrenzenanomalie geschwindigkeitsabhängig, wie für einen thermisch aktivierten Prozess erwartet. Stattdessen ist die Streckgrenzenanomalie zustandsabhängig, eine Eigenschaft, die vom Zustand des Materials abhängt. Infolgedessen ist die durch Leerstellen aktivierte Stärkung der am weitesten verbreitete Mechanismus.[12] Die Energie der Leerstellenbildung ist für FeAl niedrig, was eine ungewöhnlich hohe Konzentration von Leerstellen in FeAl bei hohen Temperaturen ermöglicht (2,5% bei 1000°C für Fe-50Al). Die Leerstelle, die entweder in aluminiumreichem FeAl oder durch Erhitzen gebildet wird, ist eine Aluminiumleerstelle.[13]

Bei niedrigen Temperaturen um 300 K nimmt die Streckgrenze entweder ab oder ändert sich nicht mit der Temperatur. Bei moderaten Temperaturen (0,35-0,45 Tm).[13][8] Es wird angenommen, dass die Erhöhung der Streckgrenze aufgrund einer erhöhten Leerstellenkonzentration das Ergebnis von Versetzungen ist, die durch Leerstellen auf der Gleitebene fixiert werden, was ein Durchbiegen der Versetzungen bewirkt. Dann können über der Spitzenspannungstemperatur Leerstellen wandern, da die Leerstellenwanderung bei erhöhten Temperaturen leichter ist. Bei diesen Temperaturen behindern Leerstellen nicht mehr die Versetzungsbewegung, sondern helfen eher beim Aufstieg. Im Leerstellenverstärkungsmodell wird die erhöhte Festigkeit unterhalb der Spitzenspannungstemperatur als proportional zur Leerstellenkonzentration auf die Hälfte angenähert, wobei die Leerstellenkonzentration unter Verwendung der Maxwell-Boltzmann-Statistik geschätzt wird. Somit kann die Stärke abgeschätzt werden als

eEF/2kBT{displaystyle e^{-E_{f}/2k_{B}T}}

, mit

EF{displaystyle E_{f}}

die Leerstellenbildungsenergie und T die absolute Temperatur ist. Oberhalb der Spitzenspannungstemperatur kann ein diffusionsunterstützter Deformationsmechanismus verwendet werden, um die Festigkeit zu beschreiben, da Leerstellen jetzt mobil sind und die Versetzungsbewegung unterstützen. Oberhalb des Peaks ist die Streckgrenze abhängig von der Dehnungsgeschwindigkeit und somit ist die maximale Streckgrenze geschwindigkeitsabhängig. Als Ergebnis steigt die Spitzenspannungstemperatur mit einer erhöhten Dehnungsrate. Beachten Sie, dass sich dies von der Streckgrenzenanomalie unterscheidet, bei der es sich um die Streckgrenze unterhalb des Peaks handelt, die geschwindigkeitsabhängig ist. Die Spitzenstreckgrenze hängt auch vom prozentualen Aluminiumanteil in der FeAl-Legierung ab. Wenn der Prozentsatz an Aluminium zunimmt, tritt die Spitzenstreckgrenze bei niedrigeren Temperaturen auf.[8]

Die Streckgrenzenanomalie in FeAl-Legierungen kann versteckt werden, wenn thermische Leerstellen nicht durch langsames Glühen bei relativ niedriger Temperatur (~400 °C für ~5 Tage) minimiert werden.[14] Außerdem ist die Streckgrenzenanomalie nicht in Systemen vorhanden, die eine sehr niedrige Dehngeschwindigkeit verwenden, da die Spitzenstreckgrenze von der Dehngeschwindigkeit abhängig ist und daher bei Temperaturen auftreten würde, die zu niedrig sind, um die Dehngrenzenanomalie zu beobachten. Da außerdem die Bildung von Leerstellen Zeit erfordert, hängt die Höhe der Spitzenstreckgrenze davon ab, wie lange das Material auf der Spitzenspannungstemperatur gehalten wird. Es wurde auch festgestellt, dass die Spitzenstreckgrenze nicht von der Kristallorientierung abhängt.[8]

Andere Mechanismen wurden vorgeschlagen, darunter ein Cross-Slip-Mechanismus ähnlich dem für L12, Dislokationszerlegung in weniger bewegliche Segmente bei Jogs, Dislokationspinning, Climb-Lock-Mechanismus und Gleitvektorübergang. Der Gleitvektorübergang von <111> zu <100>. Bei der Spitzenspannungstemperatur ändert sich das Schlupfsystem von <111> zu <100>. Es wird angenommen, dass die Änderung ein Ergebnis des Gleitens ist <111> mit steigender Temperatur aufgrund eines Reibungsmechanismus schwieriger. Dann Versetzungen in <100> haben im Vergleich leichtere Bewegungen.[15] Ein anderer Mechanismus kombiniert den Leerstellenverstärkungsmechanismus mit der Versetzungszerlegung. Es hat sich gezeigt, dass FeAl mit der Zugabe eines tertiären Additivs wie Mn ebenfalls eine Streckspannungsanomalie aufweist. Im Gegensatz zu FeAl ist jedoch die Spitzenstreckgrenze oder Spitzenspannungstemperatur von Fe2MnAl ist nicht von der Dehnungsrate abhängig und kann daher dem durch Leerstellen aktivierten Verstärkungsmechanismus nicht folgen. Stattdessen wurde dort ein Ordnungsverstärkungsmechanismus vorgeschlagen.[8]

Anwendungen[edit]

Turbinen und Strahltriebwerke[edit]

Die Streckgrenzenanomalie wird bei der Konstruktion von Gasturbinen und Strahltriebwerken ausgenutzt, die bei hohen Temperaturen betrieben werden, wobei die verwendeten Materialien auf der Grundlage ihrer höchsten Streckgrenze und Kriechbeständigkeit ausgewählt werden. Superlegierungen können hohen Temperaturbelastungen standhalten, die weit über die Fähigkeiten von Stählen und anderen Legierungen hinausgehen, und ermöglichen den Betrieb bei höheren Temperaturen, was die Effizienz verbessert.[16]

Kernreaktoren[edit]

Materialien mit Streckgrenzenanomalien werden aufgrund ihrer mechanischen Hochtemperatureigenschaften und ihrer guten Korrosionsbeständigkeit in Kernreaktoren verwendet.[5]

Verweise[edit]

  1. ^ Liu, JB; Johnson, DD; Smirnov, AV (24. Mai 2005), “Vorhersage von Ertrags-Stress-Anomalien in L12 Legierungen: Ni3Ge–Fe3Ge Pseudo-Binärdateien”, Acta Materialia, 53 (13): 3601–3612, Bibcode:2005AcMat..53.3601L, doi:10.1016/j.actamat.2005.04.011
  2. ^ Wua, D.; Bäcker, I.; Munroe, PR; George, EP (Februar 2007), “Die Streckgrenzenanomalie von einschlupforientierten Fe-Al-Einkristallen”, Intermetallische Verbindungen, fünfzehn (2): 103–107, doi:10.1016/j.intermet.2006.03.007
  3. ^ Gornostyrew, Yu. N.; AF Maksjutow; O. Yu. Konzewoi; AJ Freeman; MI Katsnelson; AV Trefilov (3. März 2003), “Negative Fließspannung Temperaturanomalie und strukturelle Stabilität von Pt3Al”, März-Meeting der American Physical Society 2003, Amerikanische Physikalische Gesellschaft, 2003, S. D17.009, Bibcode:2003APS..MARD17009G
  4. ^ Smallman, RE (4. September 2013). Moderne physikalische Metallurgie. Ngan, AHW (Achte Aufl.). Oxford. ISBN 978-0-08-098223-6. OCLC 858948359.
  5. ^ ein B C Han, FF; Zhou, BM; Huang, HF; Leng, B.; Lu, YL; Dong, JS; Li, ZJ; Zhou, XT (2016-10-01). “Das Zugverhalten der Superlegierung GH3535 bei erhöhter Temperatur”. Materialchemie und Physik. 182: 22–31. mach:10.1016/j.matchemphys.2016.07.001. ISSN 0254-0584.
  6. ^ Chu, Zhaokuang; Yu, Jinjiang; Sonne, Xiaofeng; Guan, Hengrong; Hu, Zhuangqi (2010-05-15). “Zugeigenschaften und Verformungsverhalten einer gerichtet erstarrten Ni-Basis-Superlegierung”. Materialwissenschaft und -technik: A. 527 (12): 3010–3014. mach:10.1016/j.msea.2010.01.051. ISSN 0921-5093.
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  11. ^ Geng, Peji; Li, Weiguo; Zhang, Xianhe; Deng, Yong; Kou, Haibo; Ma, Jianzuo; Shao, Jiaxing; Chen, Kalkung; Wu, Xiaozhi (2017-06-05). “Ein theoretisches Modell für die Streckgrenzenanomalie von Superlegierungen auf Ni-Basis bei erhöhter Temperatur”. Zeitschrift für Legierungen und Verbindungen. 706: 340–343. mach:10.1016/j.jallcom.2017.02.262. ISSN 0925-8388.
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