位错组态演化.docx

1、位 错 组 态 演 化周 志 敏 著东 北 大 学 出 版 社沈 阳9 周 志 敏 2003图 书 在 版 编 目 ( CIP ) 数 据位 错 组 态 演 化 / 周 志 敏 著 . 沈 阳 : 东 北 大 学 出 版 社 , 2003 . 4ISBN 7-81054-880-8 . 位 . 周 . 晶 粒 铜 位 错 . TG146 . 1中 国 版 本 图 书 馆 CIP 数 据 核 字 ( 2003 ) 第 013539 号出 版 者 : 东 北 大 学 出 版 社地 址 : 沈 阳 市 和 平 区 文 化 路 3 号 巷 1 1 号 邮 编 : 1 10 0 04电 话 : 0 24

2、 8 3 68 7 33 1 ( 市 场 部 ) 8 3 68 0 26 7 ( 社 务 室 )传 真 : 0 24 8 3 68 0 18 0 ( 市 场 部 ) 8 3 68 0 26 5 ( 社 务 室 )E-m ail: ne up h n eupr ess . com h t tp : www . neu press. com印 刷 者 : 沈 阳 农 业 大 学 印 刷 厂发 行 者 : 东 北 大 学 出 版 社 幅 面 尺 寸 : 140mm203mm印 张 : 5 . 5字 数 : 148 千 字出 版 时 间 : 2003 年 4 月 第 1 版印 刷 时 间 : 2003

3、 年 4 月 第 1 次 印 刷责 任 编 辑 : 高 原 责 任 校 对 : 华 雪封 面 设 计 : 唐 敏 智 责 任 出 版 : 杨 华 宁定 价 : 20 . 00 元1前 言位 错 运 动 是 产 生 金 属 塑 性 变 形 的 基 本 机 制 之 一 。 到 目 前 为 止 , 单 根 位 错 的 行 为 特 性 已 经 得 到 了 充 分 的 研 究 , 但 是 位 错 的 集 团 行 为 特 性 还 没 有 被 充 分 认 识 和 掌 握 , 是 位 错 理 论 中 尚 待 发 展 和 完 善 的 问 题 之 一 。 实 验 发 现 , 经 过 塑 性 变 形 后 , 金 属

4、 内 部 会 产 生 不 同 的 位 错 组态 , 又 称 位 错 花 样 , 这 与 金 属 本 身 的 性 质 以 及 变 形 条 件 紧 密 相 关 , 研 究 位 错 组 态 演 化 有 助 于 深 入 理 解 金 属 的 塑 性 变 形 机 制 , 预 测 和 控 制 金 属 的 性 能 。由 于 变 形 过 程 中 位 错 的 产 生 、 反 应 和 湮 灭 等 过 程 比 较 复 杂 , 仅 由 实 验 研 究 很 难 全 面 深 入 地 揭 示 其 物 理 本 质 。 随 着 现 代 计 算 机 技 术 的 发 展 , 人 们 可 以 对 材 料 的 变 形 进 行 模 拟 ,

5、 这 一 过 程 被 称 之 为 计 算 机 实 验 , 其 重 要 性 被 提 到 与 传 统 实 验 同 等 重 要 的 位 置 。 但 由 于 传 统 的 位 错 理 论 在 描 述 位 错 的 集 团 行 为 时 还 存 在 问 题 , 所 以 , 对 于 材 料 在 塑 性 变 形 中 微 观 结 构 变 化 的 研 究 进 展 得 比 较 缓 慢 。 20 世 纪 80 年 代 初 , 耗 散 结 构 理 论 和 协 同 学 理 论 被 引 入 到 材 料 变 形 领 域 。 在 随 后 的 几 年 中 , 用 协 同 学 理 论 进 行 位 错 组 态 演 化 的 研 究 得 到

6、 了 迅 速 发 展 , 各 国 学 者 从 不 同 的 角 度 建 立 位 错 组 态 演 化 模 型 , 用 不 同 的 方 法 模 拟 变 形 过 程 中 金 属 内 部 位 错 的 产 生 、 反 应 及 其 运 动 过 程 等 , 所 建 立 的 模 型 有 一 维 、 二 维 和 三 维 , 并 且 从 最 初 的 定 性 描 述 向 定 量 化 发 展 。从 1988 年 著 者 开 始 从 事 位 错 组 态 演 化 的 研 究 , 与 当 时 正 在 东北 大 学 攻 读 博 士 学 位 、 对 耗 散 结 构 和 协 同 学 理 论 在 塑 性 变 形 中 的 应2 位 错

7、 组 态 演 化用 进 行 研 究 的 高 维 林 常 常 对 实 验 研 究 和 计 算 机 模 拟 中 遇 到 的 一 些 奇 妙 现 象 和 具 体 问 题 开 展 讨 论 , 从 中 了 解 到 国 内 外 的 研 究 动 态 及 该 领 域 研 究 的 难 度 。 可 以 说 , 高 维 林 博 士 的 研 究 工 作 在 国 内 是 属 于 开 创 性 的 。 2000 年 5 月 , 著 者 到 德 国 E rlangen- Nrnberg 大 学 进 行 访 问 研 究 , 从 事 超 细 晶 粒 铜 的 疲 劳 变 形 特 性 及 塑 性 变 形 中 位 错 组 态 演 化

8、的 研 究 , 其 中 部 分 研 究 成 果 被 纳 入 本 书 的 第 4 7 章 中 。本 书 是 著 者 在 其 博 士 论 文 的 基 础 上 , 结 合 在 德 国 的 部 分 研 究 成 果 , 并 参 阅 近 200 篇 有 关 文 献 撰 写 而 成 的 。 全 书 共 分 7 章 : 第 1 章 对 国 内 外 研 究 进 展 进 行 了 分 析 ; 第 2 章 介 绍 了 研 究 位 错 组 态 演 化 的 基 础 理 论 , 如 耗 散 结 构 、 协 同 学 理 论 和 位 错 理 论 等 , 及 其 在 位 错 组 态 演 化 中 的 应 用 ; 第 3 章 是 纯

9、 铜 在 热 变 形 条 件 下 位 错 组 态 演 化 的 实 验 研 究 , 为 位 错 组 态 演 化 的 理 论 研 究 提 供 实 验 依 据 ; 第 4 章 是 位 错 组 态 演 化 的 半 定 量 模 型 研 究 ; 第 5 章 是 非 线 性 系 统 的 数 学 特 征 与 位 错 组 态 演 化 ; 第 6 章 是 位 错 组 态 演 化 的 定 量 模 型 ; 第 7 章 介 绍 了 位 错 组 态 演 化 的 计 算 机 模 拟 方 法 以 及 使 用 第 6 章 模 型 的 模 拟 结 果 , 并 在 附 录 中 给 出 了 一 个 用 于 模 拟 计 算 的 通 用

10、 程 序 。本 书 从 空 间 一 维 尺 度 上 对 位 错 组 态 演 化 进 行 了 研 究 , 得 到 一 些 很 有 意 义 的 规 律 , 说 明 金 属 塑 性 变 形 中 的 亚 结 构 可 以 进 行 定 量 的 分 析 和 模 拟 , 同 时 也 说 明 了 将 耗 散 结 构 、 协 同 学 理 论 与 位 错 理 论 相 结 合 , 可 以 描 述 位 错 集 团 行 为 , 有 助 于 理 解 位 错 集 团 的 本 质 。从 空 间 一 维 尺 度 研 究 位 错 组 态 演 化 具 有 一 定 优 点 , 如 计 算 速 度 快 , 并 可 反 映 出 一 些 基

11、 本 规 律 。 然 而 , 在 一 维 尺 度 上 的 研 究 存 在 一 些 不 足 , 尽 管 表 面 上 看 模 型 比 三 维 空 间 简 单 , 但 物 理 意 义 不 如 三 维 明 了 , 建 立 模 型 时 的 难 度 相 对 较 大 ; 另 外 , 在 三 维 尺 度 上 能 够 反 映 出 更 多 的 信 息 , 更 容 易 反 映 变 形 过 程 中 微 观 结 构 的 变 化 , 如 滑 移 系 开 动 顺 序 、 晶 体 的 转 动 等 。近 年 来 , 有 限 元 分 析 已 经 从 过 去 的 宏 观 领 域 发 展 到 微 观 领 域 ,大 多 数 研 究 工

12、 作 集 中 在 将 位 错 理 论 与 传 统 的 变 形 力 学 相 结 合 来 建 立前 言 3塑 性 变 形 的 本 构 关 系 上 。 从 位 错 组 态 演 化 模 型 的 研 究 可 以 看 出 : 金 属 内 部 的 位 错 密 度 变 化 与 外 加 应 力 之 间 存 在 耦 合 关 系 , 也 就 是 说 , 二 者 之 间 有 内 在 的 联 系 , 这 是 金 属 塑 性 变 形 本 构 关 系 的 基 础 , 因 此 可 以 说 , 位 错 组 态 演 化 的 研 究 对 有 限 元 分 析 具 有 重 要 意 义 , 而 且 位 错 组 态 演 化 与 有 限 元

13、 分 析 方 法 的 完 美 结 合 , 是 从 根 本 上 描 述 材 料 变 形 机 制 的 有 效 途 径 。因 此 可 以 说 , 关 于 位 错 组 态 演 化 模 型 的 研 究 , 一 方 面 是 从 三 维 空 间 角 度 进 行 研 究 , 以 全 面 描 述 塑 性 变 形 中 微 观 结 构 的 变 化 , 另 一 方 面 , 把 位 错 组 态 演 化 的 研 究 与 有 限 元 分 析 所 要 求 的 本 构 关 系 的 研 究 相 结 合 。 这 两 方 面 的 研 究 将 会 对 塑 性 变 形 中 的 力 能 和 微 观 结 构 变 化 的 理 论 分 析 与

14、计 算 机 模 拟 产 生 巨 大 的 推 动 作 用 。著 者 多 年 来 从 事 该 领 域 的 研 究 , 深 知 其 中 的 难 度 和 辛 苦 。 希 望 通 过 撰 写 此 书 , 总 结 过 去 所 取 得 的 成 果 , 以 便 与 有 志 于 从 事 位 错 组 态 演 化 动 力 学 研 究 的 学 者 进 行 交 流 。 此 外 , 希 望 以 此 书 永 远 铭 记 恩 师 白 光 润 教 授 的 培 养 之 情 和 他 始 终 如 一 的 大 力 支 持 、 鼓 励 和 精 心 指 导 , 也 纪 念 他 在 位 错 组 态 演 化 的 研 究 方 面 所 作 出 的

15、 杰 出 贡 献 。著 者 的 研 究 工 作 得 到 原 冶 金 工 业 部 基 础 研 究 基 金 项 目 的 资 助 ,在 研 究 过 程 中 得 到 众 位 老 师 和 朋 友 的 支 持 , 特 此 表 示 感 谢 !目前 , 位 错 组 态 演 化 的 协 同 模 型 及 计 算 机 模 拟 的 研 究 还 不 成 熟 , 在 国 内 外 学 术 界 尚 处 于 探 索 阶 段 , 加 之 本 人 水 平 所 限 , 故 书 中 不 当 之 处 在 所 难 免 , 希 望 广 大 读 者 批 评 指 正 。著 者2003 年 1 月 于 东 北 大 学 1 目 录前 言1 绪 论

16、11 . 1 位 错 组 态 演 化 研 究 的 发 展 21 . 2 国 内 位 错 组 态 演 化 的 研 究 进 展 152 非 线 性 理 论 及 其 在 位 错 组 态 演 化 中 的 应 用 182 . 1 耗 散 结 构 理 论 182 . 2 协 同 学 理 论 272 . 3 位 错 动 力 学 理 论 352 . 4 非 线 性 理 论 在 位 错 组 态 演 化 中 的 应 用 363 纯 铜 在 热 变 形 条 件 下 的 位 错 组 态 演 化 的 实 验 研 究 383 . 1 实 验 材 质 383 . 2 实 验 方 案 383 . 3 实 验 过 程 393

17、. 4 实 验 结 果 404 半 定 量 位 错 组 态 演 化 动 力 学 模 型 504 . 1 半 定 量 位 错 组 态 演 化 动 力 学 模 型 的 建 立 504 . 2 模 型 的 线 性 稳 定 性 分 析 554 . 3 位 错 组 态 演 化 的 一 般 规 律 57 2 位 错 组 态 演 化5 系 统 的 数 学 特 征 与 位 错 组 态 演 化 605 . 1 非 线 性 系 统 的 数 学 特 征 605 . 2 演 化 模 型 的 建 立 625 . 3 演 化 模 型 的 线 性 稳 定 性 分 析 665 . 4 位 错 组 态 演 化 反 映 的 物

18、理 本 质 686 定 量 位 错 组 态 演 化 动 力 学 模 型 706 . 1 位 错 运 动 速 率 模 型 706 . 2 建 立 模 型 的 预 备 知 识 796 . 3 定 量 位 错 组 态 演 化 动 力 学 模 型 936 . 4 位 错 动 力 学 模 型 在 塑 性 变 形 中 的 应 用 1047 位 错 组 态 演 化 的 计 算 机 模 拟 1097 . 1 化 为 常 微 分 方 程 法 1097 . 2 差 分 方 法 1157 . 3 纯 铜 位 错 组 态 演 化 的 计 算 机 模 拟 116参 考 文 献 129附 录 常 微 分 方 程 组 求

19、解 程 序 14911 绪 论位 错 在 金 属 塑 性 变 形 中 起 着 极 为 重 要 的 作 用 , 金 属 的 变 形 抗 力是 位 错 运 动 所 受 阻 力 的 外 在 表 现 , 因 此 位 错 理 论 一 直 是 人 们 研 究 的最 为 活 跃 的 领 域 之 一 。 到 目 前 为 止 , 对 于 单 根 位 错 行 为 的 研 究 已 基本 成 熟 。 然 而 , 金 属 塑 性 变 形 过 程 中 最 典 型 的 微 观 组 织 不 是 以 单 根位错 为 特 征 的 , 而 是 具 有 空 间 周 期 性 分 布 的 位 错 结 构 , 如 位 错 胞 、 亚 晶

20、结 构 等 , 由 于 位 错 间 的 相 互 作 用 , 尤 其 是 位 错 集 团 的 行 为 非 常 复 杂 , 因 此 , 定 量 描 述 位 错 的 空 间 组 态 显 得 非 常 困 难 , 对 高 位 错 密 度 的理 论 计 算 还 很 难 奏 效 1 5 。20 世 纪 70 年 代 初 到 80 年 代 中 期 , 比 利 时 学 者 Prigogine 提 出 的 耗 散结 构 (dissipative structure) 6 8 和 德国 学者 Haken 提 出的 协同 学 (syn- ergetics) 9 等 成 为 研 究 许 多 领 域 中 的 非 线 性

21、现 象 的 基 础 理 论 , 并 在 材 料 科 学 领 域 得 到 应 用 11 , 1 2 , 1 6 。 Prigogine 把 在 开 放 和 远 离 热 力 学 平 衡 态 条 件 下 与 外 界 环 境 具 有 能 量 和 (或 ) 物 质 交 换 的 系 统 , 通 过 能 量 耗 散 和 系 统 内 部 的 自 组 织 形 成 的 宏 观 时 空 有 序 结 构 称 为 耗 散 结 构 。 耗 散 结 构 理 论 是 通 过 非 线 性 动 力 学 分 析 和 对 系 统 涨 落 的 研 究 , 讨 论 系 统 有 序 结 构 的 发 展 变 化 规 律 。 协 同 学 是

22、由 Haken 创 立 的 研 究 系 统 自 组 织 现 象 ( self-organization phenomena) 的 理 论 , 它 研 究 的 目 标 与 耗 散 结 构 理 论 相同 , 但 在 处 理 非 线 性 方 程 问 题 的 方 法 上 比 耗 散 结 构 更 为 适 用 。 协 同 学 理 论 的 最 大 贡 献 在 于 其 使 役 定 理 ( slaving principle) , 其 基 本 思 想 是 : 在 一 个 包 含 众 多 变 量 的 系 统 中 , 通 常 只 有 一 个 ( 或 几 个 ) 变 量 起 主 导 作 用 , 它 控 制 和 支 配

23、 着 其 他 变 量 的 变 化 , 称 为 序 参 量 , 而 其 他 参 量 为 快 变 参 量 。 根 据 协 同 学 理 论 的 使 役 定 理 , 可 以 把 一 个 系 统 中 的 快 变 参 量 对 时 间 的 导 数 作 为 零 来 处 理 , 从 而 使 问 题 简 化 。2 位 错 组 态 演 化人 们 对 位 错 组 态 的 理 论 分 析 始 于 1970 年 1 0 , 比 利 时 学 者 Walgraef和 美 国 学 者 Aifan tis 于 1985 年 证 明 了 金 属 塑 性 变 形 过 程 为远 离 平 衡 态 的 一 个 非 平 衡 不 可 逆 过

24、程 1 1 , 可 以 用 协 同 学 理 论 来 研 究 。 1987 年 9 月 在 法 国 举 行 了 专 门 的 关 于 “材 料 科 学 中 的 非 线 性 现 象” 的 国 际 会 议 1 2 , 把 利 用 非 线 性 理 论 研 究 位 错 组 态 演 化 推 向 高 潮 , 1986 年 、 1989 年 和 1993 年 连 续 召 开 了 三 届 关 于 低 能 位 错 结 构 ( low-energy dislocation s tructure, 简 称 LEDS ) 的 国 际 会 议 1 3 1 5 , 使 位 错 动 力 学 的 研 究 取 得 快 速 进 展

25、。位 错 组 态 是 金 属 内 部 组 织 的 基 本 特 征 之 一 , 其 研 究 对 金 属 塑 性变 形 的 组 织 性 能 预 报 将 是 极 为 重 要 的 一 个 方 面 , 而 组 织 性 能 预 报 的突 破 势 必 促 进 塑 性 成 型 技 术 的 巨 大 发 展 , 因 此 , 国 内 外 学 者 对 位 错 组 态 演 化 的 研 究 倍 加 关 注 。 长 期 以 来 , 由 于 这 方 面 的 基 础 理 论 研 究 尚不 完 善 , 致 使 组 织 性 能 方 面 的 研 究 只 能 处 于 以 实 验 为 基 础 的 唯 象 研究 , 所 得 研 究 结 果

26、 仅 对 所 研 究 的 特 定 金 属 与 特 定 变 形 条 件 有 效 , 不 具 普 适 性 , 不 能 从 本 质 上 反 映 金 属 塑 性 变 形 的 物 理 机 制 。 非 线 性 理 论在 材 料 科 学 中 的 应 用 将 最 终 解 决 过 去 一 直 不 能 克 服 的 难 题 。 近 年 来 , 由 于 计 算 机 技 术 的 飞 速 发 展 , 被 称 之 为 计 算 材 料 物 理 学 的 新 学 科 的 兴 起 , 使 位 错 组 态 演 化 的 研 究 进 入 了 一 个 新 时 代 。 人 们 能 够 通 过计 算 机 来 模 拟 和 研 究 金 属 内 部

27、 发 生 的 复 杂 现 象 5 , 7 , 9 , 1 1 , 从 而 使 定 量计 算 和 描 述 金 属 内 部 微 观 组 织 结 构 成 为 可 能 。1 . 1 位 错 组 态 演 化 研 究 的 发 展塑 性 变 形 本 身 是 远 离 热 力 学 平 衡 的 不 可 逆 过 程 1 1 , 变 形 时 金 属内 部 存 在 大 量 的 位 错 群 , 相 互 间 存 在 着 强 烈 的 协 同 作 用 , 通 过 位 错 集 团 的 自 组 织 形 成 各 种 形 态 的 位 错 组 态 ( dislocation configuration ) 或 称 位 错 花 样 ( d

28、islocation pattern) 。 虽 然 从 位 错 理 论 创 立 以 来 , 人 们 对 单 个 位 错 行 为 进 行 了 深 入 细 致 的 研 究 , 并 且 对 单 根 位 错 行 为 的 研 究 已31 绪 论非 常 完 善 , 然 而 还 是 不 能 有 效 地 处 理 大 量 位 错 的 集 体 行 为 , 直 到 20 世 纪 80 年 代 中 期 人 们 才 真 正 进 入 了 对 位 错 组 态 演 化 ( evolution of dislocation patterns) 的 系 统 研 究 时 代 1 6 , 1 7 , 人 们 开 始 认 识 到 协

29、同 学 理 论 在 研 究 位 错 组 态 的 形 成 、 失 稳 及 其 特 性 方 面 的 重 要 作 用 。近年来 , 人 们 对 位 错 组 态 演 化 进 行 了 大 量 研 究 。 从 实 验 研 究 上 看 , 大 多集 中 于 纯 铜 及 其 他 金 属 的 室 温 循 环 加 载 变 形 2 , 3 , 1 8 4 1 、 铝 及 其 合 金 的 轧 制 变 形 4 2 54 和 蠕 变 变 形 等 5 5 7 3 ; 从 理 论 上 来 看 , 主 要 集 中 于 解 决 两 大 问 题 : 一 个 是 位 错 胞 的 形 成 7 4 1 1 0 , 另 一 个 是 稳 态

30、 时 的 变 形 行 为 1 11 1 25 。 前 者 具 有 代 表 性 的 理 论 模 型 是 协 同 学 模 型 , 描 述 位 错 胞 的 形 成 初 期 位 错 集 团 的 协 同 作 用 ; 后 者 的 代 表 性 模 型 是 组 合 模 型 , 研 究 位 错 胞 形 成 之 后 且 相 对 稳 定 时 金 属 内 部 位 错 之 间 的 相 互 作 用 及 其 相 应 的 加 工 硬 化 特 性 。 协 同 学 模 型 虽 能 说 明 位 错 胞 的 形 成 过 程 , 但 不 能 定 量 计 算 变 形 较 大 时 的 力 学 特 性 , 仍 处 于 定 性 研 究 和 半

31、 定 量 估 计 阶 段 ; 而 位 错 组 合 模 型 虽 被 认 为 是 能 定 量 计 算 位 错 胞 形 成 之 后 相 对 稳 定 状 态 的 加 工 硬 化 特 点 的 简 单 有 效 的 模 型 之 一 , 但 其 缺 点 是 不 能 计 算 位 错 胞 大 小 , 必 须 把 位 错 胞 尺 寸 作 为 计 算 的 已 知 条 件 。近 年 来 计 算 机 技 术 的 飞 速 发 展 带 来 了 计 算 物 理 学 与 计 算 材 料 学 等 新 学 科 的 兴 起 , 也 使 人 们 用 非 线 性 理 论 研 究 金 属 变 形 过 程 中 微 观结 构 的 演 化 迅 速

32、 进 入 了 计 算 机 模 拟 时 代 , 将 得 以 定 量 计 算 和 描 述 金属 内 部 微 观 组 织 及 其 相 应 的 力 学 行 为 。1 . 1 . 1 位 错 组 态 演 化 的 实 验 研 究人 们 通 过 实 验 研 究 金 属 在 疲 劳 、 轧 制 、 高 温 蠕 变 等 变 形 过 程 中 的 位 错 组 态 或 位 错 花 样 , 发 现 不 同 的 材 料 、 不 同 的 力 学 过 程 大 致 产 生 4 种 基 本 的 位 错 组 态 , 即 脉 ( vein ) 、 墙 ( wall ) 、 迷 宫 ( labyrint h ) 、 胞 ( cell)

33、 或 亚 晶 粒 ( subgrain) , 实 际 变 形 过 程 中 的 位 错 组 态 是 这 些 基 本 组 态 的组 合 。 无 论 哪 种 位 错 组 态 , 其 共 同 特 征 是 : 它 们 都 是 高 低 位 错 密 度 相 间 出 现 的 空 间 有 序 结 构 。4 位 错 组 态 演 化1 . 1 . 1 . 1 疲 劳 变 形 中 的 位 错 组 态 大 部 分 位 错 组 态 都 是 在 单 晶 和 多 晶 铜 的 室 温 疲 劳 实 验 中 首 先 发现 的 4 0 。 如 图 1 . 1 所 示 是 疲 劳 变 形 的 循 环 剪 应 力 幅 -剪 应 变 幅

34、曲 线 4 0 , 相 应 于 图 1 . 1 不 同 区 域 的 位 错 组 态 描 述 如 下 。图 1 . 1 铜 单 晶 室 温 循 环 应 力 - 应 变 图 40 A 区 为 快 速 硬 化 区 , 相 应 的 位 错 组 态 为 脉 基 结 构 。 脉 基 结 构 主 要 由 分 布在 (111 ) 滑 移 面 上 的 位 错 偶 极 子 组 成 , 在 垂 直 于 (111 ) 的 ( 1 21 ) 面 上 可 观 察 到偶极 子 或 多 极 子 圈 斑 ( loop patch ) , 称 之 为 脉 基 体 ( matrix vein ) , 脉 与 脉 之 间 是密 度

35、较 低 的 通 道 ( channel ) 。 随 着 循环 应 力 增 加 , 脉 基 体 积 分 数 增 大 , 达 到 平 台 区 ( B 区 ) 时 的 体 积 分 数 可 达 50 % 。A 区 典 型 的 透 射 电 镜 照 片 组 成 的 组 态见 图 1 . 2 4 0 。B 区 为 一 平 台 区 , 平 台 应 力 26 MPa是驻 留 滑 移 带 出 现 的 特 征 流 动 应 力 。 图 1 . 2 铜 单 晶 中 形 成的 3 维 脉 结构 40 51 绪 论驻 留 滑 移 带 首 先 在 偶 极 子 ( 多 极 子 ) 圈 斑 中 出 现 并 在 其 中 扩 展 。

36、 因此 , 平 台 应 力 也 是 圈 斑 失 稳 形 成 驻 留 滑 移 带 所 需 的 应 力 。 典 型 的 位错 组 态 见 图 1 . 3 3 1 。 单 个 驻 留 滑 移 带 又 称 为 梯 形 结 构 ( ladder struc- ture) , 它 的 每 个 梯 级 称 为 位 错 墙 ( walls) , 墙 主 要 由 刃 型 位 错 偶 极 子 组 成 , 墙 之 间 的 通 道 是 密 度 非 常 低 的 螺 位 错 区 。 典 型 的 位 错 墙 见 图1 . 4 4 0 。图 1 . 3 驻 留 滑 移 带 的 形 成 31 图 1 . 4 疲 劳 铜 单 晶

37、 中 的 位 错 墙 40在 B 区 的 高 塑 性 应 变 幅 阶 段 ( 剪应 变 为 2 10 - 3 8 10 - 3 ) 发 现 了 迷 宫 结 构 , 此 结 构 首 先 在 多 晶 铜 的 疲 劳 试 验 中 发 现 , 以 后 才 在 单 晶 铜 的 疲 劳 试 验 中 观 察 到 , 典 型 的 迷 宫 组 态 见 图 1 . 5 2 5 。 迷 宫 结 构 实 际 上 由 两 组 几 乎 正 交 的 位 错 墙 组 成 。C 区 为 胞 结 构 区 , 当 塑 性 应 变 大于 810 - 3 时 , 变 形 体 内 为 多 滑 移 机制 ( 激 活 滑 移 系 3 ) 。

38、 位 错 胞 组 态 参 图 1 . 5 疲 劳 铜 单 晶 中 的 迷 宫 结 构 25 见 第 3 章 图 3 . 11 3 . 14。 胞 结 构 可 看 成 多 组 ( 3) 几 乎 平 行 的 位 错墙 组 成 , 而 在 其 内 部 则 是 低 位 错 密 度 区 。 实 际 上 , 迷 宫 结 构 也 可 看 成6 位 错 组 态 演 化是 最 简 单 的 胞 结 构 。脉 、 墙 、 迷 宫 和 胞 状 结 构 是 4 种 基 本 的 位 错 组 态 。 在 金 属 塑 性 变 形 中 , 由 于 不 均 匀 变 形 及 应 力 梯 度 的 存 在 , 在 一 个 晶 粒 内

39、部 及 不 同 的 晶 粒 中 可 以 形 成 不 同 的 位 错 组 态 , 这 可 以 从 轧 制 变 形 中 的 微 观 结 构得 到 证 实 ( 见 1 . 1 . 1 . 2 ) 。1 . 1 . 1 . 2 轧 制 变 形 中 的 位 错 组 态轧 制 是 金 属 塑 性 成 型 的 重 要 方 式 之 一 , 轧 制 过 程 中 位 错 组 态 的演 化 引 起 许 多 学 者 的 关 注 4 2 5 3 。 由 于 轧 制 过 程 中 金 属 各 部 分 间 存在 不 均 匀 变 形 , 同 时 对 于 多 晶 金 属 而 言 , 晶 粒 取 向 也 各 不 相 同 , 因 此

40、变 形 后 晶 体 内 部 会 同 时 存 在 多 种 位 错 花 样 4 6 4 8 , 5 2 。丹 麦 学 者 Ha nsen 和 Bay 等 人 4 2 5 3 对 冷 轧 铝 的 位 错 结 构 进 行 了 一 系 列 实 验 研 究 , 提 出 在 轧 制 过 程 中 首 先 形 成 大 的 位 错 胞 , 然 后 在 大 胞 中 形 成 小 胞 , 原 来 的 胞 壁 形 成 高 密 度 位 错 墙 , 随 着 变 形 的 继 续 进 行 , 高 密 度 位 错 墙 变 为 微 观 带 。Hansen 的 研 究 表 明 4 4 , 4 6 4 8 : 多 晶 与 单 晶 变 形

41、 后 形 成 的 位 错 胞 具 有 相 似 的 特 点 , 但 还 不 能 把 二 者 完 全 联 系 起 来 , Ha nsen 认 为 晶 粒 取 向 对 所 形 成 的 微 观 结 构 特 点 有 显 著 影 响 。 变 形 后 不 同 晶 粒 之 间 的 微 观 结 构 不 同 , 它 们 可 分 为 3 种 类 型 : 第 一 种 类 型 是 包 含 通 常 位 错 胞 的 胞 块 ( cell blocks , 简 写 为 CBs) , 其 边 界 是 高 密 度 位 错 墙 ( dense dis- location walls, 简 写 为 DDWs) 和 微 观 带 ( m

42、icrobands , 简 写 为 MBs) , 这 些边 界 与 活 动 滑 移 面 成 5; 第 二 种 类 型 与 第 一 种 一 样 , 由 胞 块 和 位 错 胞 组 成 , 但 其 高 密 度 位 错 墙 或 微 观 带 不 是 平 直 的 , 且 与 活 动 滑 移 面 大 于 5; 第 三 种 类 型 与 前 两 种 不 同 , 仅 出 现 位 错 胞 。1996 年 , 英 国 学 者 Duly 和 Ashby 等 人 对 AlMg 合 金 在 中 温 轧 制 变 形 中 的 位 错 组 态 演 化 进 行 了 研 究 5 3 , 发 现 小 变 形 ( 0 . 5 ) 时

43、在 不 同的 晶 粒 中 出 现 了 3 种 不 同 的 位 错 组 态 ( 如 图 1 . 6 所 示 ) , 即 棋 盘 花 样“( chequerboard”pattern ) 、 层 状 结 构 ( lamellar struct ure ) 和 随 机 胞 状结 构 ( random cell struct ure) , 其 共 同 点 是 位 错 胞 内 存 在 大 量 的 位 错 。71 绪 论随 着 变 形 进 行 (1 . 0 ) 时 , 大 多 数 晶 粒 中 出 现 与 小 变 形 时 相 同 的 层 状 结 构 , 其 余 晶 粒 中 是 随 机 取 向 、 被 拉 长

44、 的 胞 结 构 , 在 有 些 地 方 沿 与 轧 制 方 向 成 30 40排 列 。 在 大 变 形 ( 1 . 4 ) 时 , 所 有 晶 粒 表 现 为 层 状 结 构 , 层 与 轧 制 方 向 平 均 成 355。图 1 . 6 AlM g 合 金 轧 制 变 形 后 的 微 观 结 构 53 Hansen 和 Ashby 的 研 究 结 果 是 一 致 的 , 不 同 晶 粒 中 出 现 了 不 同的 位 错 组 态 , 棋 盘 花 样 就 是 胞 块 , 层 状 结 构 与 微 观 带 类 似 。 轧 制 变 形 中 出 现 的 位 错 组 态 实 质 与 疲 劳 变 形 中

45、 产 生 的 位 错 墙 和 位 错 胞 相 同 , 仍 属 于 4 种 基 本 位 错 花 样 。1 . 1 . 1 . 3 其 他 变 形 中 的 位 错 组 态除 了 疲 劳 、 轧 制 变 形 以 外 , 人 们 对 蠕 变 5 4 6 2 、 拉 伸 和 剪 切 等 6 3 7 3 变 形 中 的 位 错 组 态 演 化 也 进 行 了 研 究 , 发 现 蠕 变 过 程 中 易 形 成 位 错 胞 或 亚 晶 。 由 于 高 温 下 刃 位 错 能 够 攀 移 , 加 之 蠕 变 速 率 一般 较 低 , 因 此 容 易 形 成 亚 晶 粒 位 错 组 态 , 这 样 的 组 态

46、处 于 低 能 状 态 的 稳 定 结 构 。 拉 伸 变 形 中 也 易 形 成 胞 状 结 构 , 纯 铜 室 温 扭 转 变 形 易 形成 与 轧 制 一 样 的 微 观 结 构 6 3 , 6 4 。 超 塑 性 变 形 中 晶 体 内 部 也 存 在 位错 7 3 , 但 密 度 较 小 , 且 没 有 形 成 胞 结 构 。1 . 1 . 1 . 4 位 错 组 态 的 一 般 特 征目 前 关 于 位 错 组 态 演 化 的 研 究 大 多 集 中 在 疲 劳 变 形 过 程 , 因 为8 位 错 组 态 演 化在 此 过 程 中 外 加 应 力 的 方 向 不 断 变 化 ,

47、同 时 变 形 量 小 及 变 形 速 率 低 , 容 易 观 察 各 种 位 错 组 态 。 根 据 上 述 研 究 可 知 : 在 恒 速 率 变 形 中 只 能看 到 位 错 胞 结 构 。由 前 人 的 实 验 研 究 可 知 : 尽 管 位 错 组 态 有 多 种 形 式 , 但 其 基 本 特 征 是 高 低 位 错 密 度 相 间 出 现 的 空 间 有 序 结 构 。 组 合 模 型 就 是 把 这 种 有 序 结 构 分 为 主 要 由 刃 型 位 错 ( 偶 极 子 ) 组 成 的 高 密 度 区 ( 位 错 墙 、 胞 壁 、 亚 晶 界 ) 和 主 要 由 螺 型 位

48、错 组 成 的 低 密 度 区 来 进 行 计 算 的 。1 . 1 . 2 位 错 组 态 演 化 的 理 论 研 究位 错 组 态 自 从 被 人 们 认 识 以 来 , 一 直 受 到 许 多 学 者 的 高 度 重 视 , 并 试 图 从 理 论 上 进 行 定 量 描 述 。 1970 年 , 美 国 Holt 基 于 最 小 自 由 能 原 理 和 线 性 稳 定 性 分 析 方 法 研 究 了 仅 由 螺 位 错 组 成 的 系 统 在 变 形 过 程 中 的 演 化 1 0 , 模 拟 了 位 错 胞 的 形 成 , 成 功 地 预 言 了 位 错 胞 直 径 反比 于 外 加

49、 应 力 这 一 实 验 结 论 。 之 后 又 相 继 出 现 统 计 模 型 1 2 6 1 2 9 、 能量 模 型 1 3 0 1 3 4 、 组 合 模 型 1 1 1 1 2 5 , 这 些 模 型 的 目 的 都 是 为 了 解 决 位 错 组 态 演 化 和 金 属 宏 观 变 形 的 力 学 特 性 , 然 而 都 不 同 程 度 地 存 在 其局 限 性 。 近 年 来 , 材 料 学 家 认 为 位 错 组 态 是 一 种 低 能 位 错 结 构 , 并 从 最 小 自 由 能 原 理 出 发 , 研 究 位 错 组 态 及 其 稳 定 性 。 然 而 金 属 塑 性 变形 过 程 是 非 平 衡 不 可 逆 过 程 , 变 形 体 的 Gibbs 自 由 能 向 极 小 方 向 发