MSE Notes - Deformation and Strengthening Mechanisms.docx

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Materials Science & Engineering
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Scott Ramsay

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Deformation and Strengthening Mechanisms Dislocations  ­slip: process which plastic deformation is produced by dislocation motion  ­slip plane: crystallographic pane along which dislocation line traverses  ­dislocation motion is analogous to motion of a caterpillar  ­dislocation density: number of dislocations that intersect a unit area of a random section  or total dislocation length per unit volume  Characteristics of Dislocations  ­when metals are plastically deformed, approximately 5% of deformation energy is  retained internally, remainder dissipated as heat  ­major portion of this stored energy is strain energy associated with dislocations  ­there are regions in which compressive, tensile and shear lattice strains are imposed on  neighboring atoms (ex. Atoms immediately above and adjacent to dislocation line are  squeezed together)  ­atoms may be thought of as experiencing a compressive strain relative to atoms  positioned in perfect crystal and far removed from dislocation  ­shear strains also exist in vicinity of edge dislocation  ­for a screw dislocation, lattice strains are pure shear only  ­lattice distortions may be considered to be strain fields that radiate from dislocation line  ­strains extend to surrounding atoms and magnitude decreases with radial distance from  the dislocation  ­strain fields surrounding dislocations in close proximity may interact in such a way that  forces are imposed on each dislocation by combined interactions of all neighboring  dislocations  ­Example: consider two edge dislocations that have the same sign and identical slip  plane. Compressive and tensile strain fields for both lie on same side of slip plane; strain  field interaction is such that there exists between these two isolated dislocations a mutual  repulsive force that tends to move them apart  ­two dislocations of opposite sign and having same slip plane will be attracted to one  another  Slip Systems  ­slip plane: preferred plane which dislocation motion occurs  ­plane with greatest planar density  ­slip direction: direction of movement ­direction with highest linear density  ­combination of slip plane and direction is called slip system  ­depends on crystal structure of metal and is such that atomic distortion that accompanies  motion of dislocation is minimum  Possible slip systems for BCC and HCP crystal structures:  Burgers vector for FCC, BCC, HCP:  a b(FCC)= <120>¿ b(BCC)= <111>¿ 2 a b(HCP)= <1320>¿ ́ Slip in Single Crystals  ­resolved shear stresses: shear components exist at all  but parallel or perpendicular alignments to stress  direction ­magnitudes depend not only on applied stress but  also orientation of both slip plane and direction within  plane  ­let ϕ be the angle between normal to slip plane and λ  the angle between slip and stress directions τR=σ cosϕ cosλ ­slip begins on most favourably oriented slip system  when resolved shear stress reaches critical resolved  shear stress (CRSS ­represents minimum shear stress required to initiate  slip  ­determines when yielding occurs  ­magnitude of applied stress required for yielding:  τCRSS σy= (cosϕcosλ) max ­minimum stress required to introduce yielding occurs  when a single crystal is oriented such that ϕ = λ = 45  degrees  ­under these conditions: σy  2τCRSS Plastic Deformation for Polycrystalline Metals  ­due to random crystallographic orientations of numerous grains, direction of slip varies  from one grain to another  ­gross plastic deformation of a polycrystalline specimen corresponds to comparable  distortion of individual grains by means of slip  ­polycrystalline metals are stronger than their single crystal equivalents ­greater stresses required to initiate slip  ­even though a single grain may be favourably oriented with applied stress, cannot  deform until adjacent and less favourable oriented grains are capable of slip also  Deformation by Twinning  ­plastic deformation in some metallic materials can occur by formation of mechanical  twins  ­displacement magnitude within twin region is proportional to distance from twin plane  ­twinning occurs on a definite crystallographic plane and in specific direction dependent  on crystal structure  ­for slip: crystallographic orientation above and below the slip plane is same both before  and after deformation  ­occurs in distinct atomic spacing multiples  ­for twinning: reorientation across twin plane  ­atomic displacement less than interatomic separation  ­mechanical twinning occurs in metals that have BCC and HCP crystal structures at low  temperatures  ­twinning may place new slip systems in orientations that are favourable relative to stress  axis so that the slip process can now take place  Grain Size Reduction  ­slip or dislocation motion takes place across common grain boundary  ­since two grains are of different orientations, dislocation passing from grain A to grain B  will have to change direction of motion  ­atomic disorder within a grain boundary will result in a discontinuity of slip planes from  one grain to another  ­for high angle grain boundaries, dislocations tend to back up at grain boundaries  ­these back ups introduce stress concentrators ahead of their slip planes and generate new  dislocations in adjacent grains  ­fine grained material is harder and stronger than one that is coarse grained  ­yield strength varies with grain size according to Hall Petch equation:  σ yσ +0 d y −1/2 where:  d – average grain diameter and σ andy  are y th constants for particular material  ­grain size may be regulated by rate of solidification from liquid phase and by plastic  deformation followed by an appropriate heat treatment  ­grain size reduction improves not only strength but also toughness of many alloys  ­small angle grain boundaries are not effective in interfering with slip process ­twin boundaries will effectively block slip and increase strength of material  Solid Solution Strengthening  ­another technique is alloying with impurity atoms that go into either substitutional or  interstitial solid solution  ­high purity metals are almost always softer and weaker than alloys composed of same  base metal ­increasing the concentration of impurity results in an attendant increase in tensile and  yield strengths  ­alloys are stronger than pure metals because impurity atoms that go into solid solution  ordinarily impose lattice strains on the surrounding host atoms  ­lattice field interactions between dislocations and impurity atoms result in restricted  dislocation motion  ­example: impurity atom that is smaller than host atom for which it substitutes exerts  tensile strains on surrounding crystal lattice  ­conversely a larger substitutional atom imposes compressive strains in vicinity  ­solute atoms tend to diffuse to and segregate around dislocations in a away to reduce  overall strain energy  ­smaller impurity atom is located where tensile strain will partially nullify some of  dislocation’s compressive strain  ­resistance to slip is greater when impurity atoms are present because overall lattice strain  must increase if a dislocation is torn away from them  ­same lattice strain interactions will exist between impurity atoms and dislocations that  are in motion during plastic deformation  ­greater applied stress is necessary to first initiate and continue plastic deformation for  solid solution alloys  Strain Hardening  ­ductile metal becomes harder and stronger as it is plastically deformed  ­temperature at which deformation takes place is cold relative to absolute melting  temperature of metal (cold working)  ­most metals strain harden at room temperature  ­sometimes convenient to express degree of plastic deformation as percent cold work:  A oA d %CW= ×100 A0 where:  A 0is the original area anddA  is the area after deformation  ­ductility experiences reduction with increasing %CW ­strain hardening phenomenon is explained on basis of dislocation­dislocation strain field  interactions  ­dislocation density in a metal increases with deformation or cold work, due to  dislocation multiplication of formation of new dislocations  ­average distance of separation between dislocations decreases  ­on average, dislocation­dislocation strain interactions are repulsive  ­net result is that motion of dislocation is hindered by presence of other dislocations  ­as dislocation density increases, resistance to dislocation motion by other dislocations  becomes more pronounced  ­therefore, imposed stress necessary to deform metal increases with increasing CW  Crystalline Ceramics  ­hard and brittle materials due to difficulty of slip  ­for crystalline ceramic materials for which bonding is predominantly ionic, there are  very few slip systems along which dislocations may move  ­consequence of electrically charged nature of ions  ­ions of like charge are brought into close proximity to one another because of  electrostatic repulsion  ­ceramics where bonding is highly covalent, slip is also difficult and materials are brittle  because covalent bonds are strong, limited number of slip systems and dislocation  structures are complex  Noncrystalline Ceramics  ­does not occur by dislocation motion because there is no regular atomic structure  ­metals
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