In der Metallurgie , den Materialwissenschaften und der Strukturgeologie gilt die Subkornrotationsrekristallisation als wichtiger Mechanismus der dynamischen Rekristallisation . Dabei rotieren anfänglich kleinwinklige Subkorngrenzen, bis die Gitterfehlanpassung zwischen den Kristallen an der Grenze so groß ist, dass sie als Korngrenzen gelten können . [ 1 ] [ 2 ] Dieser Mechanismus wurde in vielen Mineralen (darunter Quarz , Calcit , Olivin , Pyroxene , Glimmer , Feldspäte , Halit , Granate und Zirkone ) sowie in Metallen (verschiedene Magnesium- , Aluminium- und Nickellegierungen ) nachgewiesen . [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]

Struktur

In Metallen und Mineralien sind Körner geordnete Strukturen mit unterschiedlichen Kristallorientierungen. Subkörner sind Körner, die an der Korngrenze in einem Winkel von < 10–15° orientiert sind, wodurch Kleinwinkelkorngrenzen (LAGB) entstehen. Aufgrund des Zusammenhangs zwischen der Energie und der Anzahl der Versetzungen an der Korngrenze besteht ein Anreiz zur Bildung und zum Wachstum von weniger Großwinkelkorngrenzen (HAGB) anstelle einer größeren Anzahl von LAGB. Die Energetik der Umwandlung hängt von der Grenzflächenenergie an den Korngrenzen, der Gittergeometrie (Atom- und Flächenabstand, Struktur [z. B. kubisch-flächenzentriert / kubisch-raumzentriert / hexagonal-dichtest gepackt ] des Materials) und den Freiheitsgraden der beteiligten Körner ( Orientierungsabweichung , Neigung) ab. Das rekristallisierte Material weist eine geringere Gesamtkorngrenzenfläche auf, wodurch ein Versagen durch Sprödbruch entlang der Korngrenze weniger wahrscheinlich ist.

Mechanismus

Die Subkornrotationsrekristallisation ist eine Form der kontinuierlichen dynamischen Rekristallisation . Bei der kontinuierlichen dynamischen Rekristallisation wandeln sich Kleinwinkelkörner in Großwinkelkörner um, wodurch deren Orientierungsverzerrung zunimmt. [ 6 ] Ein möglicher Mechanismus ist die Migration und Agglomeration gleichnamiger Versetzungen an der Kleinwinkelkorngrenze (LAGB), gefolgt von einer Korngrenzenscherung. [ 7 ] Die Umwandlung erfolgt, wenn die Subkorngrenzen kleine Ausscheidungen enthalten, die diese fixieren. Indem die Subkorngrenzen Versetzungen absorbieren, wandeln sich die Subkörner durch Rotation anstatt durch Wachstum in Körner um. Dieser Prozess findet im Allgemeinen bei erhöhten Temperaturen statt, da Versetzungen dadurch sowohl gleiten als auch klettern können; bei niedrigen Temperaturen ist die Versetzungsbewegung erschwert und die Körner sind weniger beweglich. [ 8 ]

Im Gegensatz dazu beinhaltet die diskontinuierliche dynamische Rekristallisation die Keimbildung und das Wachstum neuer Körner, wobei diese aufgrund erhöhter Temperatur und/oder erhöhten Drucks in großen Winkeln im Vergleich zu den umgebenden Körnern wachsen.

Mechanische Eigenschaften

Die Kornfestigkeit folgt im Allgemeinen der Hall-Petch-Beziehung , die besagt, dass die Materialfestigkeit mit der Quadratwurzel der Korngröße abnimmt. Eine höhere Anzahl kleinerer Subkörner führt zu einer höheren Streckgrenze . Daher werden manche Werkstoffe gezielt mit vielen Subkörnern hergestellt; in diesem Fall sollte eine Subkornrotationsrekristallisation vermieden werden.

Ausscheidungen können sich auch an Korngrenzen bilden. Es wurde beobachtet, dass Ausscheidungen an Subkorngrenzen länglicher und parallel zu den benachbarten Körnern wachsen, während Ausscheidungen an Hochwinkelkorngrenzen blockartiger sind. Dieser Unterschied im Aspektverhältnis kann unterschiedliche Verstärkungseffekte auf das Material haben; lange, plattenförmige Ausscheidungen an Kleinwinkelkorngrenzen können sich ablösen und unter Belastung zu Sprödbruch führen. Subkornrotationsrekristallisation verringert die Anzahl der Kleinwinkelkorngrenzen und damit die Anzahl flacher, langer Ausscheidungen sowie die Anzahl der möglichen Bruchwege.

Experimentelle Techniken

Verschiedene Körner und ihre Orientierungen lassen sich mithilfe von Rasterelektronenmikroskopie (REM)-Techniken wie Elektronenrückstreubeugung (EBSD) oder polarisationsoptischer Mikroskopie (POM) beobachten. Die Proben werden zunächst kalt- oder warmgewalzt, um eine hohe Versetzungsdichte zu erzeugen, und anschließend mit unterschiedlichen Umformgeschwindigkeiten verformt, sodass eine dynamische Rekristallisation stattfindet. Die Verformung kann in Form von Kompression, Zug oder Torsion erfolgen. [ 6 ] Die Körner verlängern sich in Richtung der angelegten Spannung, und der Fehlorientierungswinkel der Subkorngrenzen nimmt zu. [ 8 ]

Referenzen

  1. ^ Li, JCM (1962). „Möglichkeit der Subkornrotation während der Rekristallisation“. Journal of Applied Physics . 33 (10): 2958–2965 . Bibcode : 1962JAP....33.2958L . doi : 10.1063/1.1728543 .
  2. ^ Urai, JL "Dynamische Rekristallisation von Mineralien" .
  3. ^ Mikrotektonik von C. W. Passchier und R. A. J. Trouw, 2. überarb. und erweiterte Auflage, 2005, XVI, 366 S., 322 Abb., mit CD
  4. ^ Erdstruktur: Eine Einführung in die Strukturgeologie und Tektonik, BA Van Der Pluijm & S. Marshak, 2. Auflage, 2004, 656 S.
  5. ^ Drury, MR; Pennock, GM (2007). „Subgrain Rotation Recrystallization in Minerals“. Materials Science Forum . 550 : 95–104 . doi : 10.4028/www.scientific.net/MSF.550.95 . S2CID 135523964 . 
  6. ^ a b Gourdet, S.; Montheillet, F. (2000). „Eine experimentelle Studie zum Rekristallisationsmechanismus bei der Warmumformung von Aluminium“. Materials Science and Engineering: A . 283 ( 1– 2): 274– 288. doi : 10.1016/S0921-5093(00)00733-4 .
  7. ^ Fasan, B.; Sherby, O.; Dorn, J. (1953). „Einige Beobachtungen zur Korngrenzenscherung während des Kriechens“ (PDF) . Journal of Metals . 6 (8): 919–922 . doi : 10.1007/BF03398039 . Archiviert vom Original (PDF) am 30. Oktober 2018.
  8. ^ a b Yan, L.; Shen, J. (2010). „Dynamische Rekristallisation der Aluminiumlegierung 7055 während der Warmumformung“. Materials Science Forum . 650 : 295–301 . CiteSeerX 10.1.1.662.6627 . doi : 10.4028/www.scientific.net/MSF.650.295 . S2CID 137549993 .