动态加载条件下形成的位错组织特征及形成机制

1、第 5卷第 2期 1997年 6月材料科学与工艺M A T ER I AL SC IEN CE &T ECHNOLO GYV o l . 5 N o 12 June 1997动态加载条件下形成的位错组织特征及形成机制周劲松杨德庄(哈尔滨工业大学 摘要 综述了动态加载条件下影响位错组织的因素 , 位错组织特征及位错形成的三种模型 , 即Sm ith 模型 、 Ho rnbogen 模型及 M eyers 模型 。关键词 动态加载 ; 位错组织 ; 位错模型分类号 T G 111. 2在很多情况下材料会遭到强烈动态冲击加载 作用 。 如金属爆炸成型和焊接时 ,强烈的脉冲加载 。、 不等 1

2、。 因而材料在动态加 载和普通加载条件下的变形行为和形成的组织也 存在明显的区别 。 如在普通加载条件下不形成孪 晶的材料在冲击加载条件下也可能发生孪晶变 形 ; 由于强烈冲击加载产生的强烈的热效应 , 可以 导致遭到动态冲击加载的材料局部熔化 , 在极高 的冷却速度下 , 该部分材料可能发生非晶转变 , 形 成非晶组织 2; 在动态加载条件下形成的各种缺 陷密度更高 , 分布也较均匀 3。 在过去的几十年里 人们对动态加载和普通加载条件下形成的组织特 征进行了详细研究 , 以便解释在动态加载时材料 的变形行为 。 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

3、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。 M u rr 和 Kuh l m ann -W ilsdo rf 4研究发 现 , 位 错 密 度 和 冲 击 波 压 力 的 平 方 根 成 正 比

4、(11 2 。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 。 A pp leton 及 W addington 5最先 指出这个参数对位错组织的重要性 。 M ikko la 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 。 M u rr 7详细研 究了脉冲持续时间在 0. 5-14微秒范围内对 N i 、 M o 以及不锈钢等

5、金属和合金中的位错组织的影 响 , 得到与 A pp leton 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 ,

6、 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 50M J M 2的面心 立方金属都有形成上述组织特征的趋势 。能在 40到 60M J M 2成位错缠结 ,在 111。M J M 2的金

7、属和合金中易 形成位错塞积 , 而在层错能小于 25M J M 2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 。 Kou l 和 B reedis 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

8、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 。 C be 2 hccoh 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 d d nNA b 8, 动态加载时产生的位错密度应更高 。 这里 位 错密度 , 形变量 , n 单个位错源能产生的 位错数目 ,

9、, 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 。 H asegaw a 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 :Sm ith 模型 、 Ho rnboge 模型 以及 M eyers 模型 。2. 1 S m ith 模型Sm ith 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

10、位错组织的影响 。 Sm ith 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 , Si m th 界面和相变时两相分界面相一致 。 Sm ith 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 Sm ith 位错形成模型示意图a 不存在位错的分界面 b Sm ith 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 F ig . 1 Fo rm ati on mod

11、el of the Sm ith dislocati ona an in terface w ith no dislocati on b the Sm ith in terface , dislocati on are fo rm ed on the in terface to loo sen the stress41 材料科学与工艺第 5卷 Sm ith 模型要求 Sm ith 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

12、, 要求位 错以超声速运动是 Sm ith 模型的一个致命缺点 。 2. 2 Hornbogen 模型因为 Sm ith 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 , Ho rnbogen 12对 Sm ith 模型进行了修改 。 Ho rnbogen 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 Ho rnbogen 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F i

13、g . 2 Fo rm ati on model of the Ho rnbogen dislocati on 1 the edge dislocati on componen t of the moving dislocati on in the comp ressi on fron t2 the comp ressi on w ave moving along the 100directi on 3 the (101 p lane4 the screw dislocati on rem ained in the (101 p lane after the passing of the co

14、mp ressi on fron t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 。Ho rnbogen 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 。 Ho rnbogen 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 Ho rnbogen 位错模型的局限性 。 2. 3 M eyers 模型由于 Sm ith 模型和 Ho rnbogen 模型的局限 性 , M eyers 2, 13提出了一个新的位错形成模型 。 该

15、 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 , 。M Ho rnbogen 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 。 H irth 和 L o the 5估计了位错均匀产生所必须 的应力值 。 根据 H irth 和 L o the 的估计 , 该应力和 切变模量之间存

16、在如下关系 14:G=0. 054 (1 这 里 h 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 h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 , 则可以计算出

17、位错脱离 波阵面的速率 。根据 M eyers 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(F ig . 3 Schem atic diagram show ing the fo rm ati on ofdislocati on given by the M eyers model and the sp read of the shock w ave(the arrow s indi

18、cate the locati on of the shock fron t 图 4冲击阵面处产生的位错运动示意图(5yB 冲击波阵面波 F ig . 4 Schm atic diagram show ing the mo ti on ofdislocati on s p roduced by the shock fron t ( 5yB shock fron t M eyers 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

19、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 M eyers 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 。 I O CT 和 Xapp hc 15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 M eyers 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 Sm ith 和 Ho rnbogen 模型由于要求位错必须以超 声速运动而具有局限性 。 M

20、eyers 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 Sm ith 和 Ho rnbogen 模型的缺点 , 是 一种比较理想的模型 。参考文献1 pacobck A .R . ,e POB . H .P .po e M b I PO TOCT , 1994, 1:34742 T e OB B . A . , C te . . . I , 1994, 1:34503 . . , M ypp . E . 5 . . . . , M yppa . E . M . , 1984:1251344 M u rr L . E . , W ilsdo rf D . Kuh l

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