Energía de falla de apilamiento - Stacking-fault energy

La energía de falla de apilamiento (SFE) es una propiedad de los materiales a muy pequeña escala. Se indica como γ SFE en unidades de energía por área.

Una falla de apilamiento es una interrupción de la secuencia de apilamiento normal de planos atómicos en una estructura cristalina compacta . Estas interrupciones llevan una cierta energía de falla de apilamiento. El ancho de la falla de apilamiento es consecuencia del equilibrio entre la fuerza de repulsión entre dos dislocaciones parciales en una mano y la fuerza de atracción debida a la tensión superficial. de la falla de apilamiento por otro lado. Por tanto, la anchura de equilibrio está determinada parcialmente por la energía de falla de apilamiento. Cuando la SFE es alta, la disociación de una dislocación completa en dos parciales es energéticamente desfavorable y el material puede deformarse por deslizamiento de la dislocación o deslizamiento cruzado. Los materiales de SFE más bajos presentan fallas de apilamiento más anchas y tienen más dificultades para el deslizamiento transversal. El SFE modifica la capacidad de una dislocación en un cristal para deslizarse sobre un plano de deslizamiento que se cruza . Cuando el SFE es bajo, la movilidad de las dislocaciones en un material disminuye.

Material Latón Acero inoxidable Ag ( plata ) Au Si ( silicio ) Ni ( níquel ) Cu ( cobre ) Mg ( magnesio ) Al ( aluminio )
SFE ( mJ m −2 ) <10 <10 25 75 > 42 90 70 -78 125 160-250

Apilar fallas y acumular energía de falla

Una falla de apilamiento es una irregularidad en la secuencia de apilamiento plana de átomos en un cristal; en los metales FCC, la secuencia de apilamiento normal es ABCABC, etc., pero si se introduce una falla de apilamiento, puede introducir una irregularidad como ABCBCABC en la secuencia de apilamiento normal. Estas irregularidades llevan una cierta energía que se llama energía de falla de apilamiento.

Influencias en la acumulación de energía de falla

Un gráfico de cómo la SFE disminuye rápidamente con el contenido de aleación de zinc . Datos tomados de.
Un gráfico de cómo la SFE disminuye rápidamente con el contenido de aleación de aluminio . Datos tomados de.

La energía de falla de apilamiento está fuertemente influenciada por algunos factores importantes, específicamente el metal base, los metales de aleación, el porcentaje de metales de aleación y la relación de valencia-electrón a átomo.

Efectos de los elementos de aleación en SFE

Se ha establecido desde hace mucho tiempo que la adición de elementos de aleación reduce significativamente el SFE de la mayoría de los metales. Qué elemento y cuánto se agrega afecta dramáticamente el SFE de un material. Las figuras de la derecha muestran cómo el SFE del cobre disminuye con la adición de dos elementos de aleación diferentes; zinc y aluminio. En ambos casos, el SFE del latón disminuye al aumentar el contenido de aleación. Sin embargo, el SFE de la aleación Cu-Al disminuye más rápidamente y alcanza un mínimo más bajo.

relación e / a

Otro factor que tiene un efecto significativo en el SFE de un material y está muy interrelacionado con el contenido de aleación es la relación e / a, o la relación de electrones de valencia a átomos. Thornton demostró esto en 1962 al graficar la relación e / a frente a SFE para algunas aleaciones basadas en Cu. Descubrió que la relación de valencia-electrón a átomo es un buen predictor de la energía de falla de apilamiento, incluso cuando se cambia el elemento de aleación. Esto apoya directamente los gráficos de la derecha. El zinc es un elemento más pesado y solo tiene dos electrones de valencia, mientras que el aluminio es más liviano y tiene tres electrones de valencia. Por tanto, cada porcentaje en peso de aluminio tiene un impacto mucho mayor en el SFE de la aleación a base de Cu que el zinc.

Efectos de la acumulación de energía de falla sobre la deformación y la textura

Los dos métodos principales de deformación en metales son el deslizamiento y el hermanamiento. El deslizamiento se produce por deslizamiento de la dislocación de las dislocaciones del tornillo o del borde dentro de un plano de deslizamiento. El deslizamiento es, con mucho, el mecanismo más común. El hermanamiento es menos común, pero ocurre fácilmente en algunas circunstancias.

El hermanamiento ocurre cuando no hay suficientes sistemas de deslizamiento para adaptarse a la deformación y / o cuando el material tiene un SFE muy bajo. Los gemelos son abundantes en muchos metales con bajo SFE como las aleaciones de cobre, pero rara vez se ven en metales con alto SFE como el aluminio.

Para adaptarse a grandes deformaciones sin fracturarse, debe haber al menos cinco sistemas de deslizamiento independientes y activos. Cuando el deslizamiento cruzado ocurre con frecuencia y se cumplen otros criterios, a veces solo se necesitan tres sistemas de deslizamiento independientes para acomodar grandes deformaciones.

Debido a los diferentes mecanismos de deformación en materiales de alto y bajo SFE, desarrollan diferentes texturas.

Materiales de alto SFE

Los materiales de alto SFE se deforman por deslizamiento de dislocaciones completas. Debido a que no hay fallas de apilamiento, las dislocaciones de los tornillos pueden deslizarse. Smallman descubrió que el deslizamiento cruzado ocurre bajo tensión baja para materiales de alto SFE como el aluminio (1964). Esto le da al metal una ductilidad adicional porque con el deslizamiento cruzado solo necesita otros tres sistemas de deslizamiento activo para sufrir grandes esfuerzos. Esto es cierto incluso cuando el cristal no está orientado idealmente.

Por lo tanto, los materiales de alto SFE no necesitan cambiar de orientación para adaptarse a grandes deformaciones debido al deslizamiento cruzado. Se producirá cierta reorientación y desarrollo de la textura a medida que los granos se muevan durante la deformación. El deslizamiento transversal extenso debido a una gran deformación también provoca cierta rotación del grano. Sin embargo, esta reorientación de los granos en materiales con alto contenido de SFE es mucho menos frecuente que en materiales con bajo contenido de SFE.

Materiales de bajo SFE

Los materiales de baja SFE se combinan y crean dislocaciones parciales. Se forman parciales en lugar de dislocaciones de tornillos. Los tornillos que existen no pueden deslizarse cruzando a través de fallas de apilamiento, incluso bajo tensiones elevadas. Deben estar activos cinco o más sistemas de deslizamiento para que se produzcan grandes deformaciones debido a la ausencia de deslizamiento cruzado. Para ambas direcciones <111> y <100> hay seis y ocho sistemas de deslizamiento diferentes, respectivamente. Si la carga no se aplica cerca de una de esas direcciones, cinco sistemas de deslizamiento pueden estar activos. En este caso, también deben existir otros mecanismos para adaptarse a grandes esfuerzos.

Los materiales de bajo SFE también se doblan cuando se tensan. Si el hermanamiento por deformación se combina con una deformación por cizallamiento regular, los granos finalmente se alinean hacia una orientación más preferida. Cuando se alinean muchos granos diferentes, se crea una textura altamente anisotrópica.

Notas

  1. ^ A. Kelly y KM Knowles, Cristalografía y defectos de los cristales , John Wiley & Sons, Ltd, Chichester, 2ª ed., 2012, cap. 9, págs. 269-304.
  2. ↑ a b c d e f Hertzberg, Richard W .; Vinci, Richard P .; Hertzberg, Jason L. (2013). Mecánica de deformación y fractura de materiales de ingeniería . John Wiley & Sons, Inc. pág. 80. ISBN   978-0-470-52780-1 .
  3. ^ Luc Remy. Tesis doctoral, Universite de Paris-Sud, Orsay, Francia, 1975.
  4. ^ Venables, JA (1964). La microscopía electrónica del hermanamiento por deformación. Revista de sólidos de física y química, 25, 685-690.
  5. ^ Zhao, YH, Liao, YY, Zhu, YT (2005). Influencia de la energía de falla de apilamiento en la nanoestructura bajo torsión de alta presión. Ciencia e Ingeniería de Materiales A, 410-411, 188-193.
  6. ^ NV Ravi Kumar et al., Refinamiento de grano en aleación de magnesio AZ91 durante el procesamiento termomecánico , Materiales e ingeniería A359 (2003), 150-157.
  7. ^ Lawrence E. Murr. Fenómenos interfaciales en metales y aleaciones. Addison-Wesley Pub. Co., 1975.
  8. ^ Rohatgi, A., Vecchio, K., Gray, G., (2001). La influencia de la energía de falla de apilamiento en el comportamiento mecánico de las aleaciones de Cu y Cu-Al: macla de deformación, endurecimiento por deformación y recuperación dinámica. Transacciones metalúrgicas y de materiales A 32A, 135-145.
  9. ^ Zhao, YH, Liao, YY, Zhu, YT (2005). Influencia de la energía de falla de apilamiento en la nanoestructura bajo torsión de alta presión. Ciencia e Ingeniería de Materiales A, 410-411, 188-193.
  10. ^ Rohatgi, A., Vecchio, K., Gray, G., (2001). La influencia de la energía de falla de apilamiento en el comportamiento mecánico de las aleaciones de Cu y Cu-Al: macla de deformación, endurecimiento por deformación y recuperación dinámica. Transacciones metalúrgicas y de materiales A 32A, 135-145.
  11. ^ Venables, JA (1964). La microscopía electrónica del hermanamiento por deformación. Revista de sólidos de física y química, 25, 685-690.
  12. ^ Johari, O., Thomas, G., (1964). Sustratos en aleaciones Cu y CU-Al deformadas explosivamente. Acta Metallurgica 12, (10), 1153-1159.
  13. ↑ Thornton, PR, Mitchell, TE, Hirsch, PB, (1962). La dependencia del deslizamiento cruzado de la energía de falla de apilamiento en metales cúbicos centrados en las caras y aleaciones. Revista filosófica, 7, (80), 1349-1369.
  14. ^ Venables, JA (1964). La microscopía electrónica del hermanamiento por deformación. Revista de sólidos de física y química, 25, 685-690.
  15. ↑ Thornton, PR, Mitchell, TE, Hirsch, PB, (1962). La dependencia del deslizamiento cruzado de la energía de falla de apilamiento en metales cúbicos centrados en las caras y aleaciones. Revista filosófica, 7, (80), 1349-1369.
  16. ^ El-Danaf, E., (2012). Propiedades mecánicas, microestructura y evolución de microtexturas para 1050AA deformado por prensado angular de canal igual (ECAP) y post-compresión de deformación plana ECAP usando dos esquemas de carga. Materiales y diseño, 34, 793-807.
  17. ^ Rohatgi, A., Vecchio, K., Gray, G., (2001). La influencia de la energía de falla de apilamiento en el comportamiento mecánico de las aleaciones de Cu y Cu-Al: macla de deformación, endurecimiento por deformación y recuperación dinámica. Transacciones metalúrgicas y de materiales A 32A, 135-145.
  18. ^ Venables, JA (1964). La microscopía electrónica del hermanamiento por deformación. Revista de sólidos de física y química, 25, 685-690.
  19. ^ Johari, O., Thomas, G., (1964). Sustratos en aleaciones Cu y CU-Al deformadas explosivamente. Acta Metallurgica 12, (10), 1153-1159.
  20. ^ Zhao, YH, Liao, YY, Zhu, YT, (2005). Influencia de la energía de falla de apilamiento en la formación de nanoestructuras bajo torsión a alta presión. Ciencia e Ingeniería de Materiales A, 410-411, 188-193.
  21. ^ Dillamore, I., Butler, E., Green, D., (1968). Rotaciones de cristales bajo condiciones de tensión impuesta y la influencia del hermanamiento y deslizamiento cruzado. Metal Science Journal, 2 (1), 161-167.
  22. ^ Groves, G., Kelly, A., (1963). Sistemas de deslizamiento independientes en cristales. Revista filosófica, 8 (89), 877-887.
  23. ^ Dillamore, I., Butler, E., Green, D., (1968). Rotaciones de cristales bajo condiciones de tensión impuesta y la influencia del hermanamiento y deslizamiento cruzado. Metal Science Journal, 2 (1), 161-167.
  24. ^ Groves, G., Kelly, A., (1963). Sistemas de deslizamiento independientes en cristales. Revista filosófica, 8 (89), 877-887.
  25. ^ Smallman, R., Green, D., (1964). La dependencia de la textura rodante de la energía de falla de apilamiento. Acta Metallurgica, 12 (2), 145-154.
  26. ^ Smallman, R., Green, D., (1964). La dependencia de la textura rodante de la energía de falla de apilamiento. Acta Metallurgica, 12 (2), 145-154.
  27. ^ Dillamore, I., Butler, E., Green, D., (1968). Rotaciones de cristales bajo condiciones de tensión impuesta y la influencia del hermanamiento y deslizamiento cruzado. Metal Science Journal, 2 (1), 161-167.
  28. ^ Heye, W., Wassermann, G., (1966). Maclaje mecánico de cristales de plata laminados en frío. Estado físico Solidi, 18 (2), K107-K111.