Énergie de défaut d'empilement - Stacking-fault energy

L' énergie de défaut d'empilement (SFE) est une propriété des matériaux à très petite échelle. Il est noté γ SFE en unités d'énergie par surface.

Un défaut d'empilement est une interruption de la séquence normale d'empilement de plans atomiques dans une structure cristalline compacte . Ces interruptions transportent une certaine énergie de défaut d'empilement. La largeur du défaut d'empilement est une conséquence de l'équilibre entre la force de répulsion entre deux dislocations partielles d'une part et la force d'attraction due à la tension superficielle du défaut d'empilement d'autre part. La largeur d'équilibre est donc partiellement déterminée par l'énergie du défaut d'empilement. Lorsque le SFE est élevé, la dissociation d'une dislocation complète en deux partiels est énergétiquement défavorable, et le matériau peut se déformer soit par glissement de dislocation, soit par glissement croisé. Les matériaux SFE inférieurs présentent des défauts d'empilement plus larges et ont plus de difficultés pour le glissement transversal. Le SFE modifie la capacité d'une dislocation dans un cristal à glisser sur un plan de glissement en intersection . Lorsque le SFE est faible, la mobilité des dislocations dans un matériau diminue.

Matériel Laiton Acier inoxydable Ag ( Argent ) Au Si ( silicium ) Ni ( nickel ) Cu ( cuivre ) Mg ( magnésium ) Al ( aluminium )
SFE ( mJ m −2 ) <10 <10 25 75 > 42 90 70-78 125 160-250

Empilement des défauts et empilement de l'énergie des défauts

Un défaut d'empilement est une irrégularité dans la séquence d'empilement planaire des atomes dans un cristal - dans les métaux FCC, la séquence d'empilement normale est ABCABC etc., mais si un défaut d'empilement est introduit, il peut introduire une irrégularité telle que ABCBCABC dans la séquence d'empilement normale. Ces irrégularités transportent une certaine énergie qui est appelée énergie de défaut d'empilement.

Influences sur l'énergie de défaut d'empilement

Un graphique montrant comment le SFE diminue rapidement avec la teneur en alliage de zinc . Données tirées de.
Un graphique montrant comment le SFE diminue rapidement avec la teneur en alliage d' aluminium . Données tirées de.

L'énergie des défauts d'empilement est fortement influencée par quelques facteurs majeurs, en particulier le métal de base, les métaux d'alliage, le pourcentage de métaux alliés et le rapport de valence électron-atome.

Effets des éléments d'alliage sur le SFE

Il est établi depuis longtemps que l'ajout d'éléments d'alliage abaisse considérablement le SFE de la plupart des métaux. Quel élément et combien est ajouté affecte considérablement le SFE d'un matériau. Les figures de droite montrent comment le SFE du cuivre diminue avec l'ajout de deux éléments d'alliage différents; zinc et aluminium. Dans les deux cas, le SFE du laiton diminue avec l'augmentation de la teneur en alliage. Cependant, le SFE de l'alliage Cu-Al diminue plus rapidement et atteint un minimum plus bas.

rapport e / a

Un autre facteur qui a un effet significatif sur le SFE d'un matériau et est très lié à la teneur en alliage est le rapport e / a, ou le rapport des électrons de valence aux atomes. Thornton l'a montré en 1962 en traçant le rapport e / a par rapport au SFE pour quelques alliages à base de Cu. Il a constaté que le rapport de valence-électron à l'atome est un bon prédicteur de l'énergie de défaut d'empilement, même lorsque l'élément d'alliage est changé. Cela prend directement en charge les graphiques de droite. Le zinc est un élément plus lourd et n'a que deux électrons de valence, tandis que l' aluminium est plus léger et a trois électrons de valence. Ainsi, chaque pourcentage en poids d'aluminium a un impact beaucoup plus grand sur le SFE de l'alliage à base de Cu que le zinc.

Effets de l'énergie de défaut d'empilement sur la déformation et la texture

Les deux principales méthodes de déformation des métaux sont le glissement et le jumelage. Le glissement se produit par le glissement de dislocation de dislocations de vis ou de bord dans un plan de glissement. Le glissement est de loin le mécanisme le plus courant. Le jumelage est moins courant mais se produit facilement dans certaines circonstances.

Le jumelage se produit lorsqu'il n'y a pas suffisamment de systèmes de glissement pour s'adapter à la déformation et / ou lorsque le matériau a un SFE très faible. Les jumeaux sont abondants dans de nombreux métaux à faible SFE comme les alliages de cuivre, mais sont rarement vus dans les métaux à haut SFE comme l'aluminium.

Afin d'accommoder de grandes déformations sans fracturation, il doit y avoir au moins cinq systèmes de glissement indépendants et actifs. Lorsque le glissement croisé se produit fréquemment et que certains autres critères sont satisfaits, parfois seuls trois systèmes de glissement indépendants sont nécessaires pour accepter de grandes déformations.

En raison des différents mécanismes de déformation dans les matériaux à SFE élevé et faible, ils développent des textures différentes.

Matériaux à haute SFE

Les matériaux à haut SFE se déforment par glissement de dislocations complètes. Puisqu'il n'y a pas de défauts d'empilement, les dislocations de vis peuvent glisser. Smallman a découvert que le glissement croisé se produit sous une faible contrainte pour les matériaux à haute SFE comme l'aluminium (1964). Cela donne au métal une ductilité supplémentaire car avec le glissement croisé, il ne nécessite que trois autres systèmes de glissement actif pour subir de grandes déformations. Cela est vrai même lorsque le cristal n'est pas idéalement orienté.

Les matériaux à haut SFE n'ont donc pas besoin de changer d'orientation pour s'adapter aux grandes déformations dues au glissement transversal. Une réorientation et un développement de texture se produiront lorsque les grains se déplacent pendant la déformation. Un glissement transversal important dû à une déformation importante provoque également une certaine rotation du grain. Cependant, cette réorientation des grains dans les matériaux à haut SFE est beaucoup moins répandue que dans les matériaux à faible SFE.

Matériaux à faible SFE

Les matériaux à faible SFE se jumellent et créent des dislocations partielles. Des partiels se forment au lieu de dislocations de vis. Les vis qui existent ne peuvent pas traverser les défauts d'empilement, même sous de fortes contraintes. Cinq systèmes de glissement ou plus doivent être actifs pour que de grandes déformations se produisent en raison de l'absence de glissement transversal. Pour les deux directions <111> et <100>, il existe respectivement six et huit systèmes de glissement différents. Si le chargement n'est pas appliqué près de l'une de ces directions, cinq systèmes de glissement peuvent être actifs. Dans ce cas, d'autres mécanismes doivent également être mis en place pour accueillir de grandes souches.

Les matériaux à faible SFE se jumellent également lorsqu'ils sont sollicités. Si le jumelage de déformation est combiné avec une déformation par cisaillement régulière, les grains s'alignent finalement vers une orientation plus préférée. Lorsque de nombreux grains différents s'alignent, une texture hautement anisotrope est créée.

Remarques

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