Die Stapelfehlerenergie (SFE) ist eine Materialeigenschaft im sehr kleinen Maßstab. Sie wird als γ SFE in Einheiten von Energie pro Fläche angegeben.

Ein Stapelfehler ist eine Unterbrechung der normalen Stapelfolge von Atomlagen in einer dicht gepackten Kristallstruktur . Diese Unterbrechungen sind mit einer bestimmten Stapelfehlerenergie verbunden. Die Breite eines Stapelfehlers ergibt sich aus dem Gleichgewicht zwischen der abstoßenden Kraft zwischen zwei partiellen Versetzungen einerseits und der anziehenden Kraft aufgrund der Oberflächenspannung des Stapelfehlers andererseits. Die Gleichgewichtsbreite wird somit teilweise durch die Stapelfehlerenergie bestimmt. Bei hoher Stapelfehlerenergie ist die Aufspaltung einer vollständigen Versetzung in zwei partielle Versetzungen energetisch ungünstig, und das Material kann sich entweder durch Versetzungsgleiten oder Quergleiten verformen. Materialien mit niedrigerer Stapelfehlerenergie weisen breitere Stapelfehler auf und haben größere Schwierigkeiten beim Quergleiten. Die Stapelfehlerenergie beeinflusst die Fähigkeit einer Versetzung in einem Kristall , auf eine sich schneidende Gleitebene zu gleiten . [ 1 ]

Material Messing Edelstahl Ag ( Silber ) AuSi ( Silizium ) Ni ( Nickel ) Cu ( Kupfer ) Mg ( Magnesium ) Al ( Aluminium )
SFE ( mJ m −2 ) <10 [ 2 ]<10 [ 2 ]25 [ 2 ]75 [ 2 ]>42 90 [ 2 ] [ 3 ]70 [ 4 ] -78 [ 5 ]125 [ 6 ]160-250 [ 7 ] [ 2 ]

Stapelfehler und Stapelfehlerenergie

Ein Stapelfehler ist eine Unregelmäßigkeit in der planaren Stapelfolge der Atome in einem Kristall. In kubisch-flächenzentrierten (kfz) Metallen ist die normale Stapelfolge ABCABC usw. Durch einen Stapelfehler kann eine Unregelmäßigkeit wie ABCBCABC in die normale Stapelfolge eingeführt werden. Diese Unregelmäßigkeiten tragen eine bestimmte Energie, die als Stapelfehlerenergie bezeichnet wird.

Einflüsse auf die Stapelfehlerenergie

Eine Grafik, die zeigt, wie die Stapelfehlerenergie (SFE) mit zunehmendem Zinkgehalt der Legierung schnell abnimmt . Daten entnommen aus [ 8 ] [ 5 ].
Eine Grafik, die zeigt, wie die Stapelfehlerenergie (SFE) mit zunehmendem Aluminiumgehalt schnell abnimmt . Daten entnommen aus: [ 8 ] [ 4 ] [ 9 ]

Die Stapelfehlerenergie wird maßgeblich von einigen wenigen Faktoren beeinflusst, insbesondere vom Grundmetall , den Legierungsmetallen, dem prozentualen Anteil der Legierungsmetalle und dem Verhältnis von Valenzelektronen zu Atomen. [ 10 ]

Einfluss von Legierungselementen auf die Stapelfehlerenergie

Es ist seit Langem bekannt, dass die Zugabe von Legierungselementen die Stapelfehlerenergie (SFE) der meisten Metalle deutlich senkt. [ 4 ] Welches Element und in welcher Menge zugesetzt wird, beeinflusst die SFE eines Materials erheblich. Die Abbildungen rechts zeigen, wie die SFE von Kupfer durch die Zugabe zweier verschiedener Legierungselemente – Zink und Aluminium – sinkt. In beiden Fällen nimmt die SFE von Messing mit steigendem Legierungsanteil ab. Die SFE der Cu-Al-Legierung sinkt jedoch schneller und erreicht ein niedrigeres Minimum.

e/a-Verhältnis

Ein weiterer Faktor, der die Stapelfehlerenergie (SFE) eines Materials maßgeblich beeinflusst und eng mit dem Legierungsgehalt zusammenhängt, ist das e/a-Verhältnis, also das Verhältnis von Valenzelektronen zu Atomen. Thornton [ 10 ] zeigte dies 1962, indem er das e/a-Verhältnis gegen die SFE für einige Kupferlegierungen auftrug. Er fand heraus, dass das Verhältnis von Valenzelektronen zu Atomen ein guter Indikator für die Stapelfehlerenergie ist, selbst bei Änderung des Legierungselements. Dies untermauert die Diagramme rechts. Zink ist ein schwereres Element und besitzt nur zwei Valenzelektronen, während Aluminium leichter ist und drei Valenzelektronen hat. Daher hat jedes Gewichtsprozent Aluminium einen deutlich größeren Einfluss auf die SFE der Kupferlegierung als Zink.

Auswirkungen der Stapelfehlerenergie auf Verformung und Textur

Die beiden wichtigsten Verformungsmechanismen in Metallen sind Gleitung und Zwillingsbildung. Gleitung erfolgt durch das Gleiten von Schrauben- oder Stufenversetzungen entlang einer Gleitebene. Gleitung ist mit Abstand der häufigste Mechanismus. Zwillingsbildung ist seltener, tritt aber unter bestimmten Umständen leicht auf.

Zwillingsbildung tritt auf, wenn nicht genügend Gleitsysteme vorhanden sind, um die Verformung aufzunehmen, und/oder wenn das Material eine sehr niedrige Stapelfehlerenergie (SFE) aufweist. Zwillinge sind in vielen Metallen mit niedriger SFE, wie z. B. Kupferlegierungen, häufig, kommen aber in Metallen mit hoher SFE, wie z. B. Aluminium, selten vor. [ 11 ] [ 8 ] [ 4 ] [ 9 ] [ 5 ]

Um große Verformungen ohne Bruch zu bewältigen, müssen mindestens fünf unabhängige und aktive Gleitsysteme vorhanden sein. Bei häufigem Quergleiten und Erfüllung bestimmter anderer Kriterien genügen mitunter drei unabhängige Gleitsysteme zur Aufnahme großer Verformungen. [ 12 ] [ 13 ]

Aufgrund der unterschiedlichen Verformungsmechanismen entwickeln Materialien mit hoher und niedriger Stapelfehlerenergie unterschiedliche Texturen.

Materialien mit hoher Stapelfehlerenergie

Materialien mit hoher Stapelfehlerenergie (SFE) verformen sich durch Gleiten vollständiger Versetzungen. Da keine Stapelfehler vorliegen, können Schraubenversetzungen quergleiten. Smallman fand heraus, dass Quergleiten bei Materialien mit hoher SFE wie Aluminium bereits unter geringer Spannung auftritt (1964). Dies verleiht einem Metall zusätzliche Duktilität, da es durch Quergleiten nur drei weitere aktive Gleitsysteme benötigt, um große Verformungen zu vollziehen. [ 12 ] [ 13 ] Dies gilt auch dann, wenn der Kristall nicht ideal orientiert ist.

Materialien mit hoher Stapelfehlerenergie (SFE) müssen daher aufgrund von Quergleitung keine Orientierungsänderung vornehmen, um große Verformungen aufzunehmen. Während der Verformung kommt es durch die Bewegung der Körner zu einer gewissen Neuorientierung und Texturbildung. Ausgedehnte Quergleitung infolge großer Verformungen führt außerdem zu einer gewissen Kornrotation. [ 14 ] Diese Neuorientierung der Körner ist bei Materialien mit hoher SFE jedoch deutlich weniger ausgeprägt als bei Materialien mit niedriger SFE.

Materialien mit niedriger Stapelfehlerenergie

Materialien mit niedriger Stapelfehlerenergie (SFE) neigen zur Zwillingsbildung und zur Entstehung von Partialversetzungen. Diese Partialversetzungen ersetzen Schraubenversetzungen. Vorhandene Schraubenversetzungen können selbst unter hohen Spannungen nicht über Stapelfehler hinweggleiten. [ 14 ] Aufgrund des fehlenden Quergleitens müssen mindestens fünf Gleitsysteme aktiv sein, damit große Verformungen auftreten können. Sowohl in <111>- als auch in <100>-Richtung existieren sechs bzw. acht verschiedene Gleitsysteme. Wird die Belastung nicht in der Nähe einer dieser Richtungen aufgebracht, können fünf Gleitsysteme aktiv sein. In diesem Fall müssen jedoch weitere Mechanismen vorhanden sein, um große Dehnungen aufzunehmen.

Materialien mit niedriger Stapelfehlerenergie (SFE) bilden unter Verformung ebenfalls Zwillingskristalle. Wenn die Zwillingsbildung mit regulärer Scherung kombiniert wird, richten sich die Körner schließlich in einer bevorzugten Orientierung aus. [ 12 ] [ 15 ] Wenn sich viele unterschiedliche Körner ausrichten, entsteht eine stark anisotrope Textur.

Anmerkungen

  1. ^ A. Kelly und KM Knowles, Kristallographie und Kristallfehler , John Wiley & Sons, Ltd., Chichester, 2. Aufl., 2012, Kap. 9, S. 269–304.
  2. ^ a b c d e f Hertzberg, Richard W.; Vinci, Richard P.; Hertzberg, Jason L. (2013). Deformation and Fracture Mechanics of Engineering Materials . John Wiley & Sons, Inc. S. 80. ISBN 978-0-470-52780-1Die
  3. ^ Luc Remy. Doktorarbeit, Universite de Paris-Sud, Orsay, Frankreich, 1975.
  4. ^ a b c d Venables, JA (1964). Die Elektronenmikroskopie der Deformationszwillingsbildung. Journal of Physics and Chemistry of Solids, 25, 685–690.
  5. ^ a b c Zhao, YH, Liao, YY, Zhu, YT (2005). Einfluss der Stapelfehlerenergie auf die Nanostruktur unter Hochdrucktorsion. Materials Science and Engineering A, 410–411, 188–193.
  6. ^ NV Ravi Kumar et al., Kornfeinung in der Magnesiumlegierung AZ91 während der thermomechanischen Verarbeitung , Materials and Engineering A359 (2003), 150–157.
  7. ^ Lawrence E. Murr. Grenzflächenphänomene in Metallen und Legierungen. Addison-Wesley Pub. Co., 1975.
  8. ^ a b c Rohatgi, A., Vecchio, K., Gray, G., (2001). Der Einfluss der Stapelfehlerenergie auf das mechanische Verhalten von Cu und Cu-Al-Legierungen: Zwillingsbildung, Kaltverfestigung und dynamische Erholung. Metallurgical and Materials Transactions A 32A, 135–145.
  9. ^ a b Johari, O., Thomas, G., (1964). Substrates in explosively deformed Cu and Cu-Al alloys. Acta Metallurgica 12, (10), 1153–1159.
  10. ^ a b Thornton, PR, Mitchell, TE, Hirsch, PB, (1962). Die Abhängigkeit des Quergleitens von der Stapelfehlerenergie in kubisch-flächenzentrierten Metallen und Legierungen. Philosophical Magazine, 7, (80), 1349–1369.
  11. ^ El-Danaf, E., (2012). Mechanische Eigenschaften, Mikrostruktur und Mikrotexturentwicklung von 1050AA nach Verformung durch Gleichkanal-Winkelpressen (ECAP) und anschließende ebene Dehnungskompression unter zwei Belastungsschemata. Materials and Design, 34, 793-807.
  12. ^ a b c Dillamore, I., Butler, E., Green, D., (1968). Kristallrotationen unter Bedingungen aufgezwungener Dehnung und der Einfluss von Zwillingsbildung und Quergleitung. Metal Science Journal, 2 (1), 161–167.
  13. ^ a b Groves, G., Kelly, A., (1963). Unabhängige Gleitsysteme in Kristallen. Philosophical Magazine, 8 (89), 877–887.
  14. ^ a b Smallman, R., Green, D., (1964). Die Abhängigkeit der Walztextur von der Stapelfehlerenergie. Acta Metallurgica, 12 (2), 145-154.
  15. ^ Heye, W., Wassermann, G., (1966). Mechanische Zwillingsbildung in kaltgewalzten Silberkristallen. Physica Status Solidi, 18 (2), K107–K111.