动态加载条件下形成的位错组织特征及形成机制答辩Word文档格式.docx
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其中对位错组织的研究尤为仔细,并且提出了几种位错形成机制。
本文综述了这方面的研究成果,主要讨论了动态加载条件下影响位错组织的因素,位错组织的特征及位错形成模型。
1 动态加载条件下影响位错组织的因素及位错组织特征
在动态加载条件下形成的位错组织主要取决于冲击波的参数和材料本身的性质。
在冲击波的
收稿日期:
1996-07-20
联系人周劲松,1969年生,博士生。
金属材料及热处理教研室
。
材料本。
位错密度增大,在高层错能的面心立方金属中形成的胞状位错的尺寸减小[3]。
Murr和Kuhlmann-Wilsdorf[4]研究发现,位错密度和冲击波压力的平方根成正比（ΘΑ112。
但这个关系在压力达到100GPa数量级时由于热效应的影响不再成立。
冲击波脉冲持续时间对位错组织的影响还是一个颇有争议的问题。
脉冲持续时间对位错组织的影响原则上在于为位错的相互作用（重组提供更多的时间,促进产生分布更均匀、形态更稳定、清晰的位错组织。
Appleton及Waddington[5]最先指出这个参数对位错组织的重要性。
Mikkola及其合作者[6]也观察到在毫微秒量级的时间范围内随持续时间的增加位错密度增大。
Murr[7]详细研究了脉冲持续时间在0.5-14微秒范围内对Ni、Mo以及不锈钢等金属和合金中的位错组织的影响,得到与Appleton等人[5,6]不同的研究结果。
他的研究表明,在脉冲持续时间大于1微秒时持续时间对位错组织的影响并不大。
而在非常短的脉冲（小于1微秒作用下,持续时间对形成的位错组织的影响可归结为在这种情况下冲击波压力振幅的不稳定性造成的。
除冲击波参数的影响外,材料的层错能对动态加载时位错组织的形成有很大影响。
这是因为
横向滑移对面心立方金属和合金的组织发展有重要作用,而横向滑移的程度又取决于全位错分解成部分位错,即取决于层错能。
在具有高层错能的金属和合金中,部分位错彼此靠得很近,横向滑移较易进行。
如果层错能较小,那么位错就易被（111面上的层错分开,促进形成位错塞积和产生其它平面缺陷。
实验观察表明,具有高层错能的面心立方金属在受到动态冲击时易形成胞状位错组织,并且位错胞壁遭到严重侵蚀。
这是这种金属在受强烈动态加载时形成的位错组织的一个显著特征。
其另一个显著特征是易形成位错环。
如果脉冲持续时间短,产生的亚结构将更加无序。
通常在压力超过10GPa时大多数层错能大于50MJM2的面心立方金属都有形成上述组织特征的趋势。
能在40到60MJM2
成位错缠结,
在{111}。
MJM2的金属和合金中易形成位错塞积,而在层错能小于25MJM2的金属和合金中则易形成层错和孪晶。
体心立方金属中可能的滑移面要比面心立方金属多。
因而通常在形成的位错组织中观察不到胞状位错组织和位错的平面滑积。
动态加载条件下位错缠结和类似胞状位错塞积是其主要组织特征[2,7]。
对遭到动态加载的密排六方金属的位错组织研究较少。
Koul和Breedis[2]研究发现,在冲击压力为7GPa时在密排六方金属中位错组织的特征介于立方金属和体心立方金属之间。
在更高的压力作用下在金属中就会产生孪晶和发生相变[2]。
动态加载和普通加载条件下形成的位错组织最显著的区别在于:
在任何情况下,动态加载时形成的位错比普通变形条件下形成的位错的密度高,分布也更均匀。
对此存在几种解释。
Cbe2hccoh[8]认为,与室温普通变形条件相比,在动态加载时位错形成速率高,而动态回复速率低。
这是位错密度增大的一个原因。
位错源的影响是另一个重要原因。
在动态加载时应力偏量很高,导致位错源数目N增加,并且每个位错源能产生的位错数目n也相应增加。
根据表达式dΘdΕ~nNAb[8],动态加载时产生的位错密度应更高。
这里Θ——位错密度,Ε——形变量,n——单个位错源能产生的位错数目,,N——位错源密度,A——每个位错运动时扫过的平均面积,b——柏氏矢量。
位错均匀分布是由于冲击压力下降时变形能反向进行造成的。
Hasegawa[9]的研究证实了这一点。
他发现,预拉伸铝中形成的胞状位错组织在随后的压缩过程中分解,形成更均匀分布的位错。
此外,在动态加载条件下,位错源数目N及每个位错源能产生的位错数目n增加。
而位错的平均自[9]。
2
以下:
Smith模型、Hornboge模型以及Meyers模型。
2.1
Smith模型
Smith[10]最先利用变形理论描述了动态冲击产生的冲击波经过材料时对位错组织的影响。
Smith模型主要特征是引入一个分界面概念,该分界面以位错列的形式存在,可以补偿冲击波阵面前后晶体点阵参数的差异。
在这个意义上,Simth界面和相变时两相分界面相一致。
Smith界面如图1b所示。
图1a表示不存在位错的界面,在这种情况下切变应力不能保持平衡。
因此在冲击波阵面上形成位错网以松弛冲击波阵面上的应力。
图1 Smith位错形成模型示意图
a不存在位错的分界面
bSmith界面,在界面上产生位错以松驰应力
箭头所指为冲击波阵面运动方向
Fig.1 FormationmodeloftheSmithdislocation
aaninterfacewithnodislocation
btheSmithinterface,dislocationareformed
ontheinterfacetoloosenthestress
・
4
1
・ 材 料 科 学 与 工 艺 第5卷
Smith模型要求Smith界面应该随冲击波阵面一起运动。
为此位错运动的速度必须超过声速。
但是位错运动速度是以声速为其极限值的。
为使位错以声速运动,应力应该无穷大[2]。
并且实验观察中也没发现过位错以超声速运动。
因此,要求位错以超声速运动是Smith模型的一个致命缺点。
2.2 Hornbogen模型
因为Smith模型不能解释铁在遭到动态冲击加载时产生的位错组织特征,Hornbogen[12]对Smith模型进行了修改。
Hornbogen发现,铁在遭到动态加载时在<
111>
方向上可以看到螺位错。
他的解释如图2所示:
冲示波刚一进入到晶体中就形成位错缠结
图2 Hornbogen位错形成模型
1 压缩波阵面内运动的位错的刃型分量2 在[100]方向上运动的压缩波 3 （101面4 留在冲击波阵面之后的（101面上的螺型位错
Fig.2 FormationmodeloftheHornbogendislocation1 theedgedislocationcomponentofthemoving
dislocationinthecompressionfront
2 thecompressionwavemovingalongthe[100]direction3 the（101plane
4 thescrewdislocationremainedinthe（101planeafter
thepassingofthecompressionfront
其刃型分量和被压缩部分一起以冲击波阵面速度运动,而位错的螺型部分不动,随着位错刃型分量的运动,螺型位错长度增加。
Hornbogen模型仅建立在对一种金属—铁的行为的观察上。
而各种金属和合金的亚结构之间区别很大。
Hornbogen模型对它们并不适用。
另外,在该模型中同样要求位错的刃型部分以超声速运
动。
这些都是Hornbogen位错模型的局限性。
2.3 Meyers模型
由于Smith模型和Hornbogen模型的局限性,Meyers[2,13]提出了一个新的位错形成模型。
该模型的基体特点是:
（1单轴变形时,在切变应力作用下,位错在冲击波阵面区域（或附近区域均匀产生。
这些位错的产生导致切变应力的松弛;
（2产生的位错仅需以亚音速移动较小的距离;
（3错界面,。
MHornbogen模。
3表示冲击波在材料中传播时的一个简单示意图。
对立方金属而言,在冲击波进入材料的瞬间很高的偏应力使起初的立方点阵变成单斜点阵。
在应力达到某个临界值时位错就可以均匀产生。
Hirth和Lothe[5]估计了位错均匀产生所必须的应力值。
根据Hirth和Lothe的估计,该应力和切变模量之间存在如下关系[14]:
G
=0.054 （1这里Σh——位错均匀产生的临界切变应力;
G——切变弹性模量。
在达到临界切变应力值Σh
和在合适的方向上位错就可以均匀产生。
图3b表示冲击波阵面相应于起始位错界面的冲击波。
分界面上的位错密度根据冲击波阵面前后两个点阵的单位体积尺寸可以计算出来。
图3c表示冲击波阵面向前运动,重新产生不可补偿
的偏应力,导致产生新的位错界面。
整个过程如此重复进行下去（如图3d所示。
图4表示在残余应力作用下两列相邻位错及已脱离冲击波阵面未和冲击波一起运动的位错组。
如果已知残余应力Χ,则可以计算出位错脱离波阵面的速率。
根据Meyers模型可以很好地解释许多实验结果。
如实验表明,动态加载时卸载波对位错组织的形成起次要作用,即卸载波进入已有很高位错密度的材料中不会再导致位错大量产生。
这和
51・第2期 周劲松等:
动态加载条件下形成的位错组织特征及形成机制
图3 M[2]
（
Fig.
3 Schematicdiagramshowingtheformationof
dislocationgivenbytheMeyersmodelandthespreadoftheshockwave
（thearrowsindicatethelocationoftheshockfront
图4 冲击阵面处产生的位错运动示意图
（5yB 冲击波阵面波
Fig.4 Schmaticdiagramshowingthemotionof
dislocationsproducedbytheshockfront（ 5yB shockfront
Meyers模型是相符的。
因为经过预变形的材料遭
到动态冲击时,切变应力可以依靠已存在的位错运动得到松驰,此时在波阵面中就不会重新产生
大量位错。
同样的理由可推广到多次动态加载的
情况。
在这种情况下,偏应力可依靠首次动态加载
时产生的位错的运动得到松驰,重复加载不会导致位错进一步大量产生。
根据Meyers模型还可以预测到动态加载时形成的相邻的位错列是由不同的柏氏矢量总和也
等于零。
IOCT和Xapphc15
研究了利用爆炸压缩粉法制得的氧化铝中的位错组织,证实了Meyers模型的预测结果。
3 结束语
应变速率很高,、。
导致产生的位错。
形成的位错的形态主要取决于、脉冲持续时间及材料本身性质,如层错能因素。
解释动态加载条件下位错组织特征的Smith和Hornbogen模型由于要求位错必须以超声速运动而具有局限性。
Meyers模型较成功的解释了动态加载条件下形成的位错组织的各特征。
并且克服了Smith和Hornbogen模型的缺点,是一种比较理想的模型。
参 考 文 献
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TheDislocationConftionMechanisingCondition
ZJingsong YangDezhuang
（lMeterialsScienceandEngineering,HarbinInstituteofTechnolegy
Abstract ThedislocationmodelesproposedbySmith,HornbogenandMeyersarereviewedwithem2phasisonthedisloationconfigurationsunderdynamicloadingconditions
.Keywords Dynamicloading;
dislocationconfigurations;
dislocationmoбЛQDdel
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