Эффект Портевена–Ле Шателье (ПЛК) описывает зубчатую кривую напряжения–деформации или прерывистый поток, который некоторые материалы демонстрируют при пластической деформации, в частности, неоднородной деформации. Этот эффект долгое время ассоциировался с динамическим деформационным старением или конкуренцией между диффундирующими растворенными веществами, закрепляющими дислокации, и дислокациями, освобождающимися от этой остановки.
Начало эффекта PLC происходит, когда чувствительность к скорости деформации становится отрицательной и начинается неоднородная деформация. Этот эффект также может проявляться на поверхности образца и в полосах пластической деформации. Этот процесс начинается при так называемой критической деформации, которая является минимальной деформацией, необходимой для появления зубцов на кривой напряжение-деформация. Критическая деформация зависит как от температуры, так и от скорости деформации. Существование критической деформации объясняется лучшей диффузией растворенного вещества из-за вакансий, созданных деформацией, и повышенной плотности подвижных дислокаций. Оба эти фактора способствуют нестабильности в сплавах замещения, в то время как на сплавы внедрения влияет только увеличение плотности подвижных дислокаций.
История
Хотя эффект назван в честь Альберта Портевена и Франсуа Ле Шателье, они не были первыми, кто его открыл. Феликс Савар сделал открытие, когда наблюдал неоднородную деформацию во время испытания на растяжение медных полос. Он задокументировал физические зубцы в своих образцах, которые в настоящее время известны как полосы Портевена–Ле Шателье. Ученик Савара, Антуан Массон, повторил эксперимент, контролируя скорость нагрузки. Массон заметил, что при постоянной скорости нагрузки образцы испытывали внезапные большие изменения удлинения (до нескольких миллиметров).
Базовая физика
Большая часть физики эффекта Портевена-Ле Шателье лежит в частном случае ползучести растворенного вещества. Добавление атомов растворенного вещества к чистому кристаллу вносит несоответствие размеров в систему. Это несоответствие размеров приводит к ограничению движения дислокаций. При низкой температуре эти атомы растворенного вещества неподвижны внутри решетки, но при высоких температурах атомы растворенного вещества становятся подвижными и взаимодействуют с дислокациями более сложным образом. Когда атомы растворенного вещества подвижны, а скорость дислокации не слишком высока, атомы растворенного вещества и дислокация могут двигаться вместе, где атом растворенного вещества уменьшает движение дислокации.
Эффект Портевена-Ле Шателье возникает в конкретном случае, когда происходит ползучесть растворенного вещества и на образец приложено напряжение с диапазоном, зависящим от материала. Приложенное напряжение приводит к увеличению скорости дислокаций, что позволяет дислокации отойти от растворенного вещества. Этот процесс обычно называют «отрывом». Как только дислокация отошла от растворенного вещества, напряжение на ней уменьшается, что приводит к уменьшению ее скорости. Это позволяет атомам растворенного вещества «догнать» дислокацию. Как только атом растворенного вещества догоняет, напряжение на дислокации значительно увеличивается, заставляя процесс повторяться.
Циклические изменения, описанные выше, приводят к появлению зубцов в пластической области диаграммы деформации напряжения при испытании на растяжение, которое подвергается эффекту Портевена-Ле Шателье. Изменение напряжения также вызывает неоднородную деформацию по всему образцу, которая может быть видна невооруженным глазом при наблюдении за грубой отделкой.
Условия, влияющие на эффект PLC
Температура
Температура влияет как на скорость распространения полосы через материал, так и на критическую деформацию. Скорость распространения полосы пропорциональна температуре (более низкая температура — более низкие скорости, более высокая температура — более высокие скорости). Часто критическая деформация сначала уменьшается из-за температуры. Влияние температуры на режим ПЛС вызвано повышенной способностью растворенных веществ диффундировать к дислокациям с ростом температуры. Хотя механизм диффузии не полностью понят, считается, что атомы растворенных веществ диффундируют либо по объему (высокая температура), либо путем диффузии в лентах дефектов упаковки между частичными дислокациями (промежуточная температура) или диффузии по трубкам (низкая температура).
Скорость деформации
В то время как температура связана со скоростью диффузии, скорость деформации определяет время, необходимое дислокациям для преодоления этих препятствий, и оказывает существенное влияние на условия эффекта PLC. Поэтому, как правило, критическое напряжение будет уменьшаться с приложенной скоростью деформации. Кроме того, чем выше скорость напряжения, тем ниже скорость полосы.
Осадки
Осадки, часто встречающиеся в сплавах алюминия (особенно в разновидности магния), усложняют эффект ПЛС.
Часто эти выделения вызывают так называемое обратное поведение, которое изменяет воздействие как скорости деформации, так и температуры на твердое тело. Показано, что наличие выделений влияет на появление и исчезновение зубцов на кривой зависимости деформации от напряжения.
Размер зерна
Структура материала также влияет на внешний вид и параметры, описывающие эффект PLC. Например, величина падения напряжения больше при меньшем размере зерна. Критическая деформация часто увеличивается с более крупными зернами, что связано с зависимостью плотности дислокаций от размера зерна. Амплитуда зубцов больше в сплавах Al-Mg для более мелкого размера зерна. Существует корреляция между увеличением критической деформации и началом зубцов с увеличением размера зерна. Но некоторые результаты показывают, что размер зерна практически не влияет на скорость полосы или ширину полосы.
Материал отделки
Полировка материала влияет на начало эффекта ПЛК и скорости полос. По-видимому, более шероховатая поверхность обеспечивает больше точек зародышеобразования для высоких напряжений, которые помогают инициировать полосы деформации. Эти полосы также распространяются в полированном образце в два раза быстрее.
Не имеет эффектов
Количество вакансий не влияет напрямую на начальную точку ПЛС. Было обнаружено, что если материал предварительно деформировать до значения, составляющего ½ от требуемого для инициирования рывкового течения, а затем оставить при температуре испытания или отжечь для удаления вакансий (но достаточно низкой, чтобы не затронуть структуру дислокаций), то общая критическая деформация уменьшается лишь незначительно, как и типы возникающих зубцов.
Дескрипторы зубцов
В то время как такие свойства, как чувствительность к скорости деформации и критическая деформация, отмечают начало эффекта PLC, люди разработали систему для описания самих зубцов. Эти типы часто зависят от скорости деформации, температуры и размера зерна. Хотя обычно полосы обозначаются как A, B и C, некоторые источники добавили полосы типа D и E. Поскольку полосы типа A, B и C чаще всего встречаются в литературе, они будут единственными, которые будут рассмотрены здесь.
Полосы типа А
Полосы типа А часто наблюдаются при высокой скорости деформации и низких температурах. Они представляют собой случайное развитие полос, которые формируются по всему образцу. Обычно их описывают как непрерывно распространяющиеся с небольшими перепадами напряжения.
Группы типа B
Полосы типа B иногда называют «прыгающими» полосами, и они появляются при средних и высоких скоростях деформации. Их часто рассматривают как формирование каждой полосы впереди предыдущей пространственно коррелированным образом. Зубцы более неравномерные и имеют меньшую амплитуду, чем тип C.
Полосы типа C
Полосы C часто наблюдаются при низкой скорости приложенной деформации или высоких температурах. Они идентифицируются со случайными зародышевыми статическими полосами с большими характерными падениями напряжения.
Другие заметки о типах полос
Считается, что разные типы полос представляют разные состояния дислокации в полосах, и типы полос могут меняться на кривой деформации материала. В настоящее время не существует моделей, которые могли бы фиксировать изменение типов полос.
Эффект Портевена-Ле Шателье (ПЛШ) является доказательством неравномерной деформации коммерческих сплавов CuNi25 при промежуточной температуре. В сплаве CuNi25 он проявляется в виде неровностей в виде зубцов на кривой напряжение-деформация. Он свидетельствует о нестабильности силы при растяжении и неоднородности микроструктуры и наличии множества разнородных факторов, влияющих на его механические свойства.
Проблемы, вызванные эффектом PLC
Поскольку эффект PLC связан с механизмом усиления, прочность стали может увеличиться; однако пластичность и ковкость материала, подверженного эффекту PLC, резко снижаются. Известно, что эффект PLC вызывает синеломкость в стали; кроме того, потеря ковкости может привести к образованию шероховатых поверхностей во время деформации (сплавы Al-Mg особенно восприимчивы к этому), что делает их бесполезными для кузовных работ или литья.