Softening of high-purity body-centred cubic metals by alloying

Adoucissement de métaux cubiques centrés de haute pureté par des éléments d’alliage

¹ Max-Planck-Institut für Metallforschung, Stuttgart, Germany
² Universität Stuttgart, Institut für theoretische und angewandte Physik, Stuttgart, Germany

Abstract

The softening of high-purity body-centred cubic metals by interstitial or substitutional foreign atoms, a widespread, extensively studied phenomenon, withstood all attempts of convincing explanation over several decades, in spite of a striking simplicity of its main features. The proposal made by one of the authors in 1995 is shown to account for all principal features of alloy softening, e.g. that it occurs in bcc mono-and polycrystals but not in face-centred cubic metals, that it affects only the strongly temperature-dependent contribution to the flow stress but not below a fairly well-defined deformation temperature, and that in a given metal the main characteristics of the softening are independent of the nature and the concentration of the solute, the only major exception being the temperature up to which the softening extends. The observations are explained by a single hypothesis, viz. that the incorporation of foreign atoms into the cores of a₀<111>/2 screw dislocations shifts their transformation from a configuration capable of slipping on one of its {110} slip planes to a configuration with a definite {112} slip plane from the so-called lower-bend temperature T = Ť of the pure metal to a higher temperature in the alloy-softened material. Examples are given for the quantitative verification of several predictions of this hypothesis. General consequences for the study of ultra- pure metals are discussed.

Résumé

Pendant plusieurs décennies, l’adoucissement des métaux cubiques centrés de haute pureté par des atomes étrangers en insertion ou en substitution, phénomène très courant et largement étudié, a résisté à toute tentative d’explication convaincante, malgré l’extrême simplicité de ses caractéristiques essentielles. La proposition faite par l’un des auteurs en 1995 permet de tenir compte de tous les éléments essentiels de radoucissement des alliages, par exemple : qu’il se produit dans les mono- et polycristaux cubiques centrés mais pas dans les métaux à faces centrées ; qu’il affecte seulement la part de la contrainte d’écoulement fortement dépendante de la température mais pas en-dessous d’une température de déformation assez bien définie; et que, pour un métal donné, les caractéristiques essentielles de l’adoucissement sont indépendantes de la nature et de la concentration du soluté, la seule exception importante étant la température au-delà de laquelle il n’y a plus d’adoucissement. Les observations peuvent s’expliquer par la seule hypothèse suivante: l’incorporation d’atomes étrangers dans le cœur des dislocations-vis a₀<111>/2 déplace leur transformation d’une configuration capable de glisser sur un des plans de glissement {110} vers une configuration ayant un plan de glissement {112} défini, depuis la température de transition T = Ť pour le métal pur, vers une température plus élevée dans le matériau adouci par effet d’alliage. Des exemples de vérification quantitative de plusieurs des prédictions résultant de cette hypothèse sont donnés. Les conséquences générales pour l’étude des métaux ultra-purs sont discutées.