控制变形原理与应用基础-7-1课件

仅知道稳态阶段的应力和温度还不能唯一地确定高温变形速度。至今一直将影响

的另一个因子即与样品的本质乃至历史有关的所有因素都归并到“组织”项中。组织。或更确切地称为显微组织——因为通常只有用光学或电子显微镜才能观察到，可以并且应该分不同的层次来描述。样品：由一个或多个不同化学成分或晶体结构的相组成。这些相以不同的方式分布在样品中。相：相同化学成分或晶体结构的区域。该区域可包含许多晶粒也可以由一个晶粒组成。不同相结构间有相界。种类、形状、分布、体积。晶粒：位向不同的、被两维缺陷——晶界分开的晶体。晶粒的组成分晶粒内部和晶界二个方面。晶粒尺寸、形状、取向分布及晶界特征。7.1概述第七章、变形速度与显微组织结构间的关系晶内结构：位错的本质、密度和分布（Frank网、滑移线、多边形化墙）；位错运动障碍物的本质、密度和分布（共格或非共格析出相、夹杂物等）。晶界结构：或多或少的取向差构成的二维原子排列结构；杂质偏析、共格或非共格析出相。7.1概述界面：相界：不同相间的界面；晶界：或多或少的取向差构成的二维原子排列结构。第七章、变形速度与显微组织结构间的关系以显微组织为考查对象时，晶体的结合本质（金属键、共价键、离子键或分子键）则显得不太重要，困此可将离子晶体、纯金属和固溶体一并论述。因为力学参数是显微组织的函数，故显微组织亦是力学参数、σ及温度（T）的函数，因此，更确切的说法是变形速度或应力与显微组织之间的关系而不是显微组织对ε和σ的影响。蠕变和控制速度的变形实验可提供大量的观察结果和定性数据。这些原始结果到目前为止，对了解物理机制的要点并没有新的突破。7.1概述第七章、变形速度与显微组织结构间的关系对于细晶粒多晶体（DG<100μm），当DG减少时变形速度增加，这可能因为DG减少时，由晶界滑移引起的变形增大。可是多晶体晶界的滑移速度是由晶粒内部的变形过程控制的；对于超细晶粒多晶体高温扩散蠕变变形和超塑性变形尤为重要，为了保证变形过程中相邻晶粒的相容性以及晶体的完整性，晶界的滑移是必要的。因此可以将变形描述为由晶界滑移协调的扩散变形或者由扩散协调的晶界滑移变形。7.2力学参数和晶粒的关系第七章、变形速度与显微组织结构间的关系对于足够大的晶粒，蠕变速度不再与晶粒尺寸相关。其原因是高温蠕变时晶粒“破碎”成亚晶粒，亚晶粒间的取向差很小，相互间由位错墙或亚晶界分开，成为变形的基本要素。很久以来就知道了高温蠕变时晶粒可“破碎”为亚晶粒。与变形晶体高温加热时的多边形化相似（Guinier，Lacombe,1948），位错通过攀移重新排列成分隔位错密度较低的单元的位错墙。这种现象极其普遍，可以说当变形由位错攀移控制时总会伴随着有亚晶粒形成。7.3力学参数和亚晶粒的关系第七章、变形速度与显微组织结构间的关系7.3力学参数和亚晶粒的关系不管高温变形材料和变形条件（ε，σ，T）如何，实际上总是可以将亚结构分解成几种特征形貌来加以描述，这些可以单独出现，也可以几种同时或者依次出现。第一层次的亚结构：晶粒内由不同位错墙分开的取向不同的小单元称为亚晶粒，可以说是第一层次的亚结构，相互之间的位向差的数量级为度，尺寸大致为十几或一百微米左右。第二层次的亚结构：亚晶粒内部，还有位错的分布形态（亚晶界）构成第二层次的亚结构。7.3.1多边形化亚结构的描述第七章、变形速度与显微组织结构间的关系平行于滑移带的伸长的亚晶粒带：这是当变形仅仅由一个或两个滑移系统产生时的典型组织。伸长亚晶粒带被较宽的几乎等轴的胞状组织分开，该种亚结构在下列金属中可经常观察到。Fe-Si多晶，铜、钼单晶，NaCl、MgO单晶。由刃型位错形成的垂直于滑移面的长倾角界面如果仅存在一个激活滑移面，则墙可能呈规则分布，对TiO2单晶铝的蠕变；如果两个互相垂直的滑移系统激活，则可以得到长方形的小单元，这在许多立方晶体蠕变时可观察到，例如：AlMoAuCoO

LiF

NaClAl2O3-MgO7.3力学参数和亚晶粒的关系7.3.1多边形化亚结构的描述－第一层次第七章、变形速度与显微组织结构间的关系晶界或亚晶界附近的细多边形化：晶界和亚晶界是位错滑移的障碍，这一事实会导致在晶界或亚晶界附近集中形成小尺寸亚晶粒,这一现象常常伴随着锯齿状晶界的产生。等轴亚晶粒：当两个以上的滑移系统开动或者温度足够高致使位错能快速攀移时，带状或长方形的亚结构被等轴亚结构取代，等轴亚结构的墙与滑移面没有直接的几何关系，即包括一个倾角分量和一个扭转分量。7.3力学参数和亚晶粒的关系第七章、变形速度与显微组织结构间的关系7.3.1多边形化亚结构的描述－第一层次亚晶粒内部和位错的分布形态等7.3力学参数和亚晶粒的关系第七章、变形速度与显微组织结构间的关系7.3.1多边形化亚结构的描述－第二层次若位错密度很低，则在亚晶粒内可均匀分布；对于较高的位错密度，其分布成为不均匀的，位错集结成位错缠结或取向差较小（数量级为1°）的墙的形式，形成内部只有极少弧立位错的胞状组织。这种胞状组织同低温大变形条件下观察到的明显相似，用较高放大倍数的腐蚀坑技术可将其显示出来，用透射电镜观察效果会更好一些。亚晶粒尺寸DG和应力σ

间有经验关系，n通常等于1，有时小于1。只有n=1时，方程量纲才正确，K有物理意义。在亚结构为由四个面是倾角晶界（大多数情况）的平行六面体形成时，系数K正比于平行墙系统比垂直墙系统超出的同号位错数目。DG

在等轴晶或截面近于方形的情况为亚晶粒的平均尺寸；在亚晶粒被拉长的情况，代表平行墙面的间距。亚晶粒的平均尺寸总是与外应力成反比，而几乎与温度无关。但是对于控制速度的变形（扭转、挤压），稳态阶段的应力取决于温度。所以经常研究亚晶粒尺寸随Zener-Hollomon参数Z的变化，而不是与外应力的关系。7.3力学参数和亚晶粒的关系7.3.2外应力和亚晶粒尺寸的关系——第一层次第七章、变形速度与显微组织结构间的关系第七章、变形速度与显微组织结构间的关系(a)AgCl蠕变后亚晶粒内的二次亚结构，σ=50gf/mm2，T=330℃，ε=13%，紫外线像，×360(V.pontikis)(b)NaCl蠕变后亚晶粒内的二维位错网(位错垂直于纸面)，σ=35gf/mm2，T=780℃，ε=30%，蚀坑法，×520(J.P.Poirier)若亚晶粒内的位错在各自应力场作用下平衡或形成三维位错网，则位错密度取决于σ；在有些情况人们从实验中发现由于指数小于2，ρ取决于σ；Al：随σ

的增大，n从0.33增加到1。7.3力学参数和亚晶粒的关系7.3.3亚晶粒的位错密度——第二层次第七章、变形速度与显微组织结构间的关系7.3力学参数和亚晶粒的关系第七章、变形速度与显微组织结构间的关系如果只有两个滑移系统开动，最终可得到由四个倾角墙和两个扭转墙罚界的亚晶粒，这种墙的本质已用电子显微镜和X光技术进行了分析。若应力和温度都很高，位错大量攀移，则滑移面难以确定，结果会得到等轴亚晶粒，同样如果有两个以上滑移系统开动时，亚晶粒界面不再是纯弯曲或纯扭转的。7.3.4亚结构的形成——第一层次－亚晶粒的形成7.3力学参数和亚晶粒的关系第七章、变形速度与显微组织结构间的关系Holt（1970）提出一个适用于低温变形胞状组织和高温变形时来晶粒内部形成的胞状组织的模型。在该模型中，用与过饱和固溶体的设幅分解类似的方法处理了由均匀位错形成胞状组织的过程。Holt考虑了最简单的情况，即两种符号的均匀分布的螺型位错，证明了这种组织是不稳定的，因此产生其波长各不相同的位错密度的空间波动。结果位错聚集成为高密度的位错缠结，中间由低位错刻度区分隔，形成的胞的尺寸由振动最快的主要波动的波长来决定，该波长与位错交互作用的距离相当。7.3.4亚结构的形成——第二层次－胞状组织的形成7.3力学参数和亚晶粒的关系第七章、变形速度与显微组织结构间的关系胞的尺寸为7.3.4亚结构的形成——第二层次－胞状组织的形成7.3力学参数和亚晶粒的关系第七章、变形速度与显微组织结构间的关系亚晶粒内部的位错密度在初始阶段减小之后于稳态阶段亦保持不变。亚晶粒墙和胞墙的位错组织都是动态现象，这些亚结构可以说是活的，不停地形成和销毁，在稳态阶段，形成和销毁的过程处于动态平衡。控制速度的热变形实验（扭转、挤压等）的较大变形实验中，亚晶粒部是等轴的，甚至晶粒伸长很多时亦是如此，若亚晶粒墙是严格地一次形成，亚晶粒也应当是伸长的。7.3.5在稳态阶段亚结构的发展－一般性特征7.3力学参数和亚晶粒的关系7.3.5在稳态阶段亚结构的发展——亚晶粒取向差的演变第七章、变形速度与显微组织结构间的关系根据亚晶粒内部位错密度保持不变及在稳态阶段与变形无关这一事实，人们常常认为亚晶粒间的取向差本身也应达到一个稳态值。这种看法显然与稳态流变阶段组织不变这个假设有关。“组织”是和总位错密度相连结的，显然，若使其保持不变，则须使墙中的位错密度及取向差保持不变。稳态流变的组织基础是亚晶粒墙和胞墙的位错组织都是动态平衡，亚晶粒取向差保持不变没有直接的理论依据。7.3力学参数和亚晶粒的关系7.3.5在稳态阶段亚结构的发展——亚晶粒取向差的演变第七章、变形速度与显微组织结构间的关系稳态阶段并不一定是组织恒定阶段，因此取向差不一定象亚晶粒或其中的位错密度那样在变形中保持不变。相反，依据亚晶粒转动和在一个涡漩流中涡流旋转形式上的相似性可以预言，亚晶粒的取向差随着时间而增加；用电子显微镜测量蠕变样品的取向差的结果表明，胞的取向差随着变形（即随时间）线性增加；在蠕变的铝样品和600℃蠕变的铁中，亚晶间的取向差随着变形而增加。7.3力学参数和亚晶粒的关系7.3.6变形过程中的再结晶第七章、变形速度与显微组织结构间的关系对于大应力和高速度或者对于大变形情况，会发生再结晶。再结晶常常在热拉伸、扭转甚至蠕变中观察到。在＝f(t)和=f()

曲线上再结晶由一个过渡现象表示出来，该过渡现象相应于在新形成的晶粒中的恢复变形的初始阶段。在蠕变曲线上，可以看到先是变形的突然加速，而后速度减小直至新的稳态建立。在控制速度实验的=f()曲线上，由于再结晶，先形成应力峰，随后产生规则的应力波动。7.3力学参数和亚晶粒的关系7.3.6变形过程中的再结晶第七章、变形速度与显微组织结构间的关系7.4亚结构的作用第七章、变形速度与显微组织结构间的关系实验结果表明对于变形由位错攀移过程控制的单相固体，存在动态平衡的亚结构。亚晶粒尺寸DG在蠕变中只取决于σ，而在控制速度变形时只取决于Z。可是在稳态阶段，ε（或Z）与σ之间为单值关系。因此在已知温度条件下，ε、σ、DG通过下面半经验关系式两两相关。这些关系仅仅表明相关性，不可能由此得出三个参数ε、σ、DG，或其中一个的独特作用的任何结论。到底是亚结构的大小决定变形速度还是变形速度决定了亚结构仅仅是一个空洞无用的讨论。又回了问题的起点，什么是控制变形的本质？7.4亚结构的作用第七章、变形速度与显微组织结构间的关系可将亚结构尺寸视为一个