什麼是臨界分解剪應力

在滑移面上沿滑移方向作用的分解剪應力,開始滑移所需的值。單晶在某滑移系的分解剪應力達到此值時降伏。

日文名稱: 臨界分解せん断応力

「臨界分解剪應力」出現在1領域的2道練習題中(強化機構與差排等)。

這個名詞所屬的領域: 強化機構與差排

分解剪應力與Schmid定律

對單晶施加拉伸應力σ時,某滑移系的滑移面上沿滑移方向作用的剪應力分量為 τ = σ cosφ cosλ。φ是滑移面法線與拉伸軸的夾角,λ是滑移方向與拉伸軸的夾角,cosφ cosλ稱為Schmid因子。滑移在某滑移系的τ達到材料固有的值τc時開始,此τc就是臨界分解剪應力。Schmid等人發現,改變晶體方位進行拉伸試驗時,降伏的拉伸應力變化很大,但換算成分解剪應力則幾乎一定。這稱為Schmid定律。

決定其大小的因素

純FCC金屬單晶的臨界分解剪應力,銅或鋁約在1 MPa以下,非常小,只有理論剪切強度的數千分之一。這是因為差排一點一點地移動而傳遞錯動,其值由晶體中差排之間的互相絆住或雜質決定。加入溶質原子會因固溶強化而上升,有微細析出物時則上升更多。BCC金屬的晶格本身的阻力(派爾斯應力)大,臨界分解剪應力強烈依存於溫度,溫度越低越大。

與多晶降伏應力的關係

在多晶中,為了使晶粒之間沒有間隙地變形,必須包含方位不利的滑移系在內,同時使多個滑移系作用。因此,多晶的降伏應力是臨界分解剪應力乘上Taylor因子M的值,隨機方位的FCC金屬M約為3.06。以軋延等使晶體方位一致而具有織構的板材,M隨方向而變,因此降伏應力或r值會出現異向性。此外,晶界造成的強化另以霍爾-佩奇關係加上。

練習臨界分解剪應力的題目

拉伸單晶圓棒。拉伸軸與滑移面法線的夾角為60°、拉伸軸與滑移方向的夾角為40°的滑移系,臨界分解剪應力為0.80 MPa時,此滑移系開始滑移的拉伸應力最接近下列何者?不考慮其他滑移系。

  1. A約0.31 MPa
  2. B約1.6 MPa
  3. C約2.1 MPa
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正確答案:C. 約2.1 MPa

作用在滑移系上的分解剪應力為 τ = σ cosφ cosλ(Schmid定律),cosφ cosλ稱為Schmid因子。此處 cos60° × cos40° = 0.500 × 0.766 ≈ 0.383,因此開始滑移的應力為 σ = 0.80/0.383 ≈ 2.1 MPa。約0.31 MPa是把臨界分解剪應力乘上Schmid因子的值,約1.6 MPa是只除以cosφ而忘了cosλ的值。Schmid因子在滑移面法線與滑移方向都與拉伸軸成45°時達到最大值0.5,滑移面與拉伸軸平行或垂直時為0,該滑移系不會滑移。在單晶中,因子最大的滑移系最先滑移。

FCC金屬多晶的降伏應力σy約為單晶臨界分解剪應力τc的3倍(σy ≈ Mτc,M ≈ 3.06)。此係數M(Taylor因子)大於Schmid因子最大值0.5的倒數2,其原因下列何者正確?

  1. A在多晶中只有最容易滑移方位的晶粒先滑移,其他晶粒仍保持彈性,為了補償平均強度下降的部分,M變大
  2. B相鄰晶粒要在晶界不產生間隙或重疊地變形,各晶粒必須有5個以上獨立的滑移系作用,也會用到方位不利的滑移系
  3. C多晶的晶界面積遠大於單晶,變形功增加了晶界能的部分,因此不論晶粒大小M都約為3倍
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正確答案:B. 相鄰晶粒要在晶界不產生間隙或重疊地變形,各晶粒必須有5個以上獨立的滑移系作用,也會用到方位不利的滑移系

在多晶中,若各晶粒隨意變形,晶界就會產生間隙或重疊。為了適應任意的形狀變化,在體積一定的條件下需要5個獨立的滑移系(von Mises條件)。因此,不只Schmid因子大的滑移系,方位不利的滑移系也要同時作用,對隨機方位的FCC多晶取平均,Taylor因子約為3.06。若降伏只由最容易滑移的晶粒決定,就無法說明係數大於2。Taylor因子由晶粒方位的分布決定,與晶界面積或晶粒大小無關。晶粒大小的效果另外以霍爾-佩奇關係加上。獨立滑移系不足的HCP金屬多晶延性差,也可以從這個條件理解。

常見問題

臨界分解剪應力會隨晶體方位改變嗎?

不會。隨方位改變的是開始滑移的拉伸應力。在Schmid因子小的方位,要達到相同的臨界分解剪應力,需要大的拉伸應力。

哪個滑移系最先滑移?

若臨界分解剪應力在各滑移系都相同,Schmid因子最大的滑移系最先滑移。在FCC金屬中,由拉伸軸的方向決定{111}<110>的12個滑移系中因子最大的滑移系。

HCP金屬的情形如何?

臨界分解剪應力隨滑移系的種類差異很大。鎂的底面滑移值比柱面或錐面滑移小好幾個數量級,因此室溫下主要是底面滑移作用,多晶的延性差。

解析中的「臨界分解剪應力」

出現「臨界分解剪應力」的題目(2題)

  1. 拉伸單晶圓棒。拉伸軸與滑移面法線的夾角為60°、拉伸軸與滑移方向的夾角為40°的滑移系,臨界分解剪應力為0.80 MPa時,此滑移系開始滑移的拉伸應力最接近下列何者?不考慮其他滑移系。
  2. FCC金屬多晶的降伏應力σy約為單晶臨界分解剪應力τc的3倍(σy ≈ Mτc,M ≈ 3.06)。此係數M(Taylor因子)大於Schmid因子最大值0.5的倒數2,其原因下列何者正確?

相關名詞

Schmid因子 Taylor因子 霍爾-佩奇關係 包辛格效應 派爾斯應力 散佈強化 Orowan機制

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