控制變形原理與應(yīng)用基礎(chǔ)-7-1課件

僅知道穩(wěn)態(tài)階段的應(yīng)力和溫度還不能唯一地確定高溫變形速度。至今一直將影響

的另一個因子即與樣品的本質(zhì)乃至歷史有關(guān)的所有因素都?xì)w并到“組織”項中。組織?；蚋_切地稱為顯微組織——因為通常只有用光學(xué)或電子顯微鏡才能觀察到，可以并且應(yīng)該分不同的層次來描述。樣品：由一個或多個不同化學(xué)成分或晶體結(jié)構(gòu)的相組成。這些相以不同的方式分布在樣品中。相：相同化學(xué)成分或晶體結(jié)構(gòu)的區(qū)域。該區(qū)域可包含許多晶粒也可以由一個晶粒組成。不同相結(jié)構(gòu)間有相界。種類、形狀、分布、體積。晶粒：位向不同的、被兩維缺陷——晶界分開的晶體。晶粒的組成分晶粒內(nèi)部和晶界二個方面。晶粒尺寸、形狀、取向分布及晶界特征。7.1概述第七章、變形速度與顯微組織結(jié)構(gòu)間的關(guān)系晶內(nèi)結(jié)構(gòu)：位錯的本質(zhì)、密度和分布（Frank網(wǎng)、滑移線、多邊形化墻）；位錯運(yùn)動障礙物的本質(zhì)、密度和分布（共格或非共格析出相、夾雜物等）。晶界結(jié)構(gòu)：或多或少的取向差構(gòu)成的二維原子排列結(jié)構(gòu)；雜質(zhì)偏析、共格或非共格析出相。7.1概述界面：相界：不同相間的界面；晶界：或多或少的取向差構(gòu)成的二維原子排列結(jié)構(gòu)。第七章、變形速度與顯微組織結(jié)構(gòu)間的關(guān)系以顯微組織為考查對象時，晶體的結(jié)合本質(zhì)（金屬鍵、共價鍵、離子鍵或分子鍵）則顯得不太重要，困此可將離子晶體、純金屬和固溶體一并論述。因為力學(xué)參數(shù)是顯微組織的函數(shù)，故顯微組織亦是力學(xué)參數(shù)、σ及溫度（T）的函數(shù)，因此，更確切的說法是變形速度或應(yīng)力與顯微組織之間的關(guān)系而不是顯微組織對ε和σ的影響。蠕變和控制速度的變形實驗可提供大量的觀察結(jié)果和定性數(shù)據(jù)。這些原始結(jié)果到目前為止，對了解物理機(jī)制的要點并沒有新的突破。7.1概述第七章、變形速度與顯微組織結(jié)構(gòu)間的關(guān)系對于細(xì)晶粒多晶體（DG<100μm），當(dāng)DG減少時變形速度增加，這可能因為DG減少時，由晶界滑移引起的變形增大。可是多晶體晶界的滑移速度是由晶粒內(nèi)部的變形過程控制的；對于超細(xì)晶粒多晶體高溫擴(kuò)散蠕變變形和超塑性變形尤為重要，為了保證變形過程中相鄰晶粒的相容性以及晶體的完整性，晶界的滑移是必要的。因此可以將變形描述為由晶界滑移協(xié)調(diào)的擴(kuò)散變形或者由擴(kuò)散協(xié)調(diào)的晶界滑移變形。7.2力學(xué)參數(shù)和晶粒的關(guān)系第七章、變形速度與顯微組織結(jié)構(gòu)間的關(guān)系對于足夠大的晶粒，蠕變速度不再與晶粒尺寸相關(guān)。其原因是高溫蠕變時晶?！捌扑椤背蓙喚Я?，亞晶粒間的取向差很小，相互間由位錯墻或亞晶界分開，成為變形的基本要素。很久以來就知道了高溫蠕變時晶?？伞捌扑椤睘閬喚Я?。與變形晶體高溫加熱時的多邊形化相似（Guinier，Lacombe,1948），位錯通過攀移重新排列成分隔位錯密度較低的單元的位錯墻。這種現(xiàn)象極其普遍，可以說當(dāng)變形由位錯攀移控制時總會伴隨著有亞晶粒形成。7.3力學(xué)參數(shù)和亞晶粒的關(guān)系第七章、變形速度與顯微組織結(jié)構(gòu)間的關(guān)系7.3力學(xué)參數(shù)和亞晶粒的關(guān)系不管高溫變形材料和變形條件（ε，σ，T）如何，實際上總是可以將亞結(jié)構(gòu)分解成幾種特征形貌來加以描述，這些可以單獨出現(xiàn)，也可以幾種同時或者依次出現(xiàn)。第一層次的亞結(jié)構(gòu)：晶粒內(nèi)由不同位錯墻分開的取向不同的小單元稱為亞晶粒，可以說是第一層次的亞結(jié)構(gòu)，相互之間的位向差的數(shù)量級為度，尺寸大致為十幾或一百微米左右。第二層次的亞結(jié)構(gòu)：亞晶粒內(nèi)部，還有位錯的分布形態(tài)（亞晶界）構(gòu)成第二層次的亞結(jié)構(gòu)。7.3.1多邊形化亞結(jié)構(gòu)的描述第七章、變形速度與顯微組織結(jié)構(gòu)間的關(guān)系平行于滑移帶的伸長的亞晶粒帶：這是當(dāng)變形僅僅由一個或兩個滑移系統(tǒng)產(chǎn)生時的典型組織。伸長亞晶粒帶被較寬的幾乎等軸的胞狀組織分開，該種亞結(jié)構(gòu)在下列金屬中可經(jīng)常觀察到。Fe-Si多晶，銅、鉬單晶，NaCl、MgO單晶。由刃型位錯形成的垂直于滑移面的長傾角界面如果僅存在一個激活滑移面，則墻可能呈規(guī)則分布，對TiO2單晶鋁的蠕變；如果兩個互相垂直的滑移系統(tǒng)激活，則可以得到長方形的小單元，這在許多立方晶體蠕變時可觀察到，例如：AlMoAuCoO

LiF

NaClAl2O3-MgO7.3力學(xué)參數(shù)和亞晶粒的關(guān)系7.3.1多邊形化亞結(jié)構(gòu)的描述－第一層次第七章、變形速度與顯微組織結(jié)構(gòu)間的關(guān)系晶界或亞晶界附近的細(xì)多邊形化：晶界和亞晶界是位錯滑移的障礙，這一事實會導(dǎo)致在晶界或亞晶界附近集中形成小尺寸亞晶粒,這一現(xiàn)象常常伴隨著鋸齒狀晶界的產(chǎn)生。等軸亞晶粒：當(dāng)兩個以上的滑移系統(tǒng)開動或者溫度足夠高致使位錯能快速攀移時，帶狀或長方形的亞結(jié)構(gòu)被等軸亞結(jié)構(gòu)取代，等軸亞結(jié)構(gòu)的墻與滑移面沒有直接的幾何關(guān)系，即包括一個傾角分量和一個扭轉(zhuǎn)分量。7.3力學(xué)參數(shù)和亞晶粒的關(guān)系第七章、變形速度與顯微組織結(jié)構(gòu)間的關(guān)系7.3.1多邊形化亞結(jié)構(gòu)的描述－第一層次亞晶粒內(nèi)部和位錯的分布形態(tài)等7.3力學(xué)參數(shù)和亞晶粒的關(guān)系第七章、變形速度與顯微組織結(jié)構(gòu)間的關(guān)系7.3.1多邊形化亞結(jié)構(gòu)的描述－第二層次若位錯密度很低，則在亞晶粒內(nèi)可均勻分布；對于較高的位錯密度，其分布成為不均勻的，位錯集結(jié)成位錯纏結(jié)或取向差較?。〝?shù)量級為1°）的墻的形式，形成內(nèi)部只有極少弧立位錯的胞狀組織。這種胞狀組織同低溫大變形條件下觀察到的明顯相似，用較高放大倍數(shù)的腐蝕坑技術(shù)可將其顯示出來，用透射電鏡觀察效果會更好一些。亞晶粒尺寸DG和應(yīng)力σ

間有經(jīng)驗關(guān)系，n通常等于1，有時小于1。只有n=1時，方程量綱才正確，K有物理意義。在亞結(jié)構(gòu)為由四個面是傾角晶界（大多數(shù)情況）的平行六面體形成時，系數(shù)K正比于平行墻系統(tǒng)比垂直墻系統(tǒng)超出的同號位錯數(shù)目。DG

在等軸晶或截面近于方形的情況為亞晶粒的平均尺寸；在亞晶粒被拉長的情況，代表平行墻面的間距。亞晶粒的平均尺寸總是與外應(yīng)力成反比，而幾乎與溫度無關(guān)。但是對于控制速度的變形（扭轉(zhuǎn)、擠壓），穩(wěn)態(tài)階段的應(yīng)力取決于溫度。所以經(jīng)常研究亞晶粒尺寸隨Zener-Hollomon參數(shù)Z的變化，而不是與外應(yīng)力的關(guān)系。7.3力學(xué)參數(shù)和亞晶粒的關(guān)系7.3.2外應(yīng)力和亞晶粒尺寸的關(guān)系——第一層次第七章、變形速度與顯微組織結(jié)構(gòu)間的關(guān)系第七章、變形速度與顯微組織結(jié)構(gòu)間的關(guān)系(a)AgCl蠕變后亞晶粒內(nèi)的二次亞結(jié)構(gòu)，σ=50gf/mm2，T=330℃，ε=13%，紫外線像，×360(V.pontikis)(b)NaCl蠕變后亞晶粒內(nèi)的二維位錯網(wǎng)(位錯垂直于紙面)，σ=35gf/mm2，T=780℃，ε=30%，蝕坑法，×520(J.P.Poirier)若亞晶粒內(nèi)的位錯在各自應(yīng)力場作用下平衡或形成三維位錯網(wǎng)，則位錯密度取決于σ；在有些情況人們從實驗中發(fā)現(xiàn)由于指數(shù)小于2，ρ取決于σ；Al：隨σ

的增大，n從0.33增加到1。7.3力學(xué)參數(shù)和亞晶粒的關(guān)系7.3.3亞晶粒的位錯密度——第二層次第七章、變形速度與顯微組織結(jié)構(gòu)間的關(guān)系7.3力學(xué)參數(shù)和亞晶粒的關(guān)系第七章、變形速度與顯微組織結(jié)構(gòu)間的關(guān)系如果只有兩個滑移系統(tǒng)開動，最終可得到由四個傾角墻和兩個扭轉(zhuǎn)墻罰界的亞晶粒，這種墻的本質(zhì)已用電子顯微鏡和X光技術(shù)進(jìn)行了分析。若應(yīng)力和溫度都很高，位錯大量攀移，則滑移面難以確定，結(jié)果會得到等軸亞晶粒，同樣如果有兩個以上滑移系統(tǒng)開動時，亞晶粒界面不再是純彎曲或純扭轉(zhuǎn)的。7.3.4亞結(jié)構(gòu)的形成——第一層次－亞晶粒的形成7.3力學(xué)參數(shù)和亞晶粒的關(guān)系第七章、變形速度與顯微組織結(jié)構(gòu)間的關(guān)系Holt（1970）提出一個適用于低溫變形胞狀組織和高溫變形時來晶粒內(nèi)部形成的胞狀組織的模型。在該模型中，用與過飽和固溶體的設(shè)幅分解類似的方法處理了由均勻位錯形成胞狀組織的過程。Holt考慮了最簡單的情況，即兩種符號的均勻分布的螺型位錯，證明了這種組織是不穩(wěn)定的，因此產(chǎn)生其波長各不相同的位錯密度的空間波動。結(jié)果位錯聚集成為高密度的位錯纏結(jié)，中間由低位錯刻度區(qū)分隔，形成的胞的尺寸由振動最快的主要波動的波長來決定，該波長與位錯交互作用的距離相當(dāng)。7.3.4亞結(jié)構(gòu)的形成——第二層次－胞狀組織的形成7.3力學(xué)參數(shù)和亞晶粒的關(guān)系第七章、變形速度與顯微組織結(jié)構(gòu)間的關(guān)系胞的尺寸為7.3.4亞結(jié)構(gòu)的形成——第二層次－胞狀組織的形成7.3力學(xué)參數(shù)和亞晶粒的關(guān)系第七章、變形速度與顯微組織結(jié)構(gòu)間的關(guān)系亞晶粒內(nèi)部的位錯密度在初始階段減小之后于穩(wěn)態(tài)階段亦保持不變。亞晶粒墻和胞墻的位錯組織都是動態(tài)現(xiàn)象，這些亞結(jié)構(gòu)可以說是活的，不停地形成和銷毀，在穩(wěn)態(tài)階段，形成和銷毀的過程處于動態(tài)平衡?？刂扑俣鹊臒嶙冃螌嶒灒ㄅまD(zhuǎn)、擠壓等）的較大變形實驗中，亞晶粒部是等軸的，甚至晶粒伸長很多時亦是如此，若亞晶粒墻是嚴(yán)格地一次形成，亞晶粒也應(yīng)當(dāng)是伸長的。7.3.5在穩(wěn)態(tài)階段亞結(jié)構(gòu)的發(fā)展－一般性特征7.3力學(xué)參數(shù)和亞晶粒的關(guān)系7.3.5在穩(wěn)態(tài)階段亞結(jié)構(gòu)的發(fā)展——亞晶粒取向差的演變第七章、變形速度與顯微組織結(jié)構(gòu)間的關(guān)系根據(jù)亞晶粒內(nèi)部位錯密度保持不變及在穩(wěn)態(tài)階段與變形無關(guān)這一事實，人們常常認(rèn)為亞晶粒間的取向差本身也應(yīng)達(dá)到一個穩(wěn)態(tài)值。這種看法顯然與穩(wěn)態(tài)流變階段組織不變這個假設(shè)有關(guān)。“組織”是和總位錯密度相連結(jié)的，顯然，若使其保持不變，則須使墻中的位錯密度及取向差保持不變。穩(wěn)態(tài)流變的組織基礎(chǔ)是亞晶粒墻和胞墻的位錯組織都是動態(tài)平衡，亞晶粒取向差保持不變沒有直接的理論依據(jù)。7.3力學(xué)參數(shù)和亞晶粒的關(guān)系7.3.5在穩(wěn)態(tài)階段亞結(jié)構(gòu)的發(fā)展——亞晶粒取向差的演變第七章、變形速度與顯微組織結(jié)構(gòu)間的關(guān)系穩(wěn)態(tài)階段并不一定是組織恒定階段，因此取向差不一定象亞晶?；蚱渲械奈诲e密度那樣在變形中保持不變。相反，依據(jù)亞晶粒轉(zhuǎn)動和在一個渦漩流中渦流旋轉(zhuǎn)形式上的相似性可以預(yù)言，亞晶粒的取向差隨著時間而增加；用電子顯微鏡測量蠕變樣品的取向差的結(jié)果表明，胞的取向差隨著變形（即隨時間）線性增加；在蠕變的鋁樣品和600℃蠕變的鐵中，亞晶間的取向差隨著變形而增加。7.3力學(xué)參數(shù)和亞晶粒的關(guān)系7.3.6變形過程中的再結(jié)晶第七章、變形速度與顯微組織結(jié)構(gòu)間的關(guān)系對于大應(yīng)力和高速度或者對于大變形情況，會發(fā)生再結(jié)晶。再結(jié)晶常常在熱拉伸、扭轉(zhuǎn)甚至蠕變中觀察到。在＝f(t)和=f()

曲線上再結(jié)晶由一個過渡現(xiàn)象表示出來，該過渡現(xiàn)象相應(yīng)于在新形成的晶粒中的恢復(fù)變形的初始階段。在蠕變曲線上，可以看到先是變形的突然加速，而后速度減小直至新的穩(wěn)態(tài)建立。在控制速度實驗的=f()曲線上，由于再結(jié)晶，先形成應(yīng)力峰，隨后產(chǎn)生規(guī)則的應(yīng)力波動。7.3力學(xué)參數(shù)和亞晶粒的關(guān)系7.3.6變形過程中的再結(jié)晶第七章、變形速度與顯微組織結(jié)構(gòu)間的關(guān)系7.4亞結(jié)構(gòu)的作用第七章、變形速度與顯微組織結(jié)構(gòu)間的關(guān)系實驗結(jié)果表明對于變形由位錯攀移過程控制的單相固體，存在動態(tài)平衡的亞結(jié)構(gòu)。亞晶粒尺寸DG在蠕變中只取決于σ，而在控制速度變形時只取決于Z。可是在穩(wěn)態(tài)階段，ε（或Z）與σ之間為單值關(guān)系。因此在已知溫度條件下，ε、σ、DG通過下面半經(jīng)驗關(guān)系式兩兩相關(guān)。這些關(guān)系僅僅表明相關(guān)性，不可能由此得出三個參數(shù)ε、σ、DG，或其中一個的獨特作用的任何結(jié)論。到底是亞結(jié)構(gòu)的大小決定變形速度還是變形速度決定了亞結(jié)構(gòu)僅僅是一個空洞無用的討論。又回了問題的起點，什么是控制變形的本質(zhì)？7.4亞結(jié)構(gòu)的作用第七章、變形速度與顯微組織結(jié)構(gòu)間的關(guān)系可將亞結(jié)構(gòu)尺寸視為一個