1、第五章、温度对变形速度的影响,5.1 变形速度激活能,高温塑性变形最显著的特点之一便是变形速度受热激活过程控制，即遵从Arrhenius方程。 显然,不论 （，y）的表达式,由此都可以实验确定称之为激活能的量Q，其大小与在 1/T坐标系中得到的直线斜率成正比。,Q的量纲为能量 变形速度激活能Q,第五章、温度对变形速度的影响,只有在Q与温度无关时，Arrhenius方程才有效。此时，只有一个系统激活，Q的物理意义为这一过程的激活能。 若Q取决于温度，则意味着多个并存的激活过程同时控制着变形。此时，除了只有激活能相差很大的两个过程起作用的最简单的情况外，其余情况都是错综复杂的。 假设有两个并存的激
2、活系统，其激活能分别为Q1和Q2，由实验曲线只能得到表观激活能。,图5.1 Arrhenius图log =f( )和两个并存过程的激活能随温度的变化,第五章、温度对变形速度的影响,假设有两个并存的激活系统，激活能分别为Q1和Q2，指数项系数为A1和A2 表观激活能为最快的过程（如Q2）控制变形，表观激活能为Q2， 表观激活能与指数项系数的大小有关，例如当A1A2 时，激活能为Q2的过程在低温时控制变形，但是在高温时Q1过程成为最快，Q2被Q1所取代。过度区的激活能是没有物理意义的。,5.2 确定变形速度激活能的方法,第五章、温度对变形速度的影响,该方法直接来自于（5.1）式。将多个样品在相同应
3、力和不同温度条件下蠕变，测量蠕变曲线。 在（亚）稳态阶段的斜率，表示成 和1/T 的函数关系的形式，并将结果表示在 -1/T坐标上。和实验点吻合最好的直线的斜率即为Q值 。 事实上难以发现一个 与时间无关的持久状态。在恒应力蠕变过程， 连续缓慢的减低，即便是相当长的时间亦如此。因此问题是应该选择哪个速度值进行画图。 尽管变形和组织之间的关系不是十分明显的，但在实际应用中这种方法均得出再现性较好的结果。,5.2.1 等温法（ 1/T作图法）,图5.2 316不锈钢低温蠕变的Arrhenius图,第五章、温度对变形速度的影响,800,775,750,725,650,-1,-2,-3,-4,316钢
4、（18 ，14 ）,(316钢+2 ),Q=71.7 4.0kcal/mol,1,1.1,Q=57.8 2.4kcal/mol,5.2 确定变形速度激活能的方法,第五章、温度对变形速度的影响,在（亚）蠕变稳态阶段，应变 是 dt 对时间的积分。 可见若将 表示为补偿时间 的函数，则不同温度和相同应力条件下得到的蠕变曲线相互重合（图5.3），该方法就是根据这一点求值Q值。 也可将不同温度下达到给定变形 所需时间的对数表示成 1/T 的函数，所得直线的斜率即Q值。,5.2.2 时间补偿法,应变是补偿时间的单值函数,图5.3 补偿时间法 铝在=21MPa和不同温度条件下的三条蠕变曲线(t)在()图上
5、相互重合，此处 是补偿时间（Dorn,1956）,第五章、温度对变形速度的影响,531,478,424,k,5.2 确定变形速度激活能的方法,第五章、温度对变形速度的影响,在恒应力作用下，在同一样品上施以极快的温度跳跃。测出T1时的蠕变速度 ，温度T2时为 ，根据（5.1）式可以得出Q。 该方法的优越性在于如果温度跳跃速度足够快，则可以保证样品的组织不变，故测量的是恒组织和恒应力下的激活能。,5.2.3 变温法,图5.4 用变温法求铝的激活能 （Dorn,Jaffe,1961）,这一方法是由Tietz和Dorn（1956）提出的。 但是由于试验机的热滞性，实际上很难施行快速温度跳跃。只有系统在
6、新温度下重新达到平衡时，才能测量出有意义的Q值，而这时样品的组织亦可能变化到新的平衡状态。 还可用于控制速度的变形实验（扭转、挤压等），此时应力是不恒定的。,第五章、温度对变形速度的影响,( ),将变形理解为扩散与位错滑移共同的结果，变形速度的热激活表达式（状枋方程）中的激活能项实际上还应考虑位错热激活滑移的影响。A（）称之为激活面积，与 有关 。,5.2 确定变形速度激活能的方法,第五章、温度对变形速度的影响,5.2 确定变形速度激活能的方法,第五章、温度对变形速度的影响,等温方法用多个样品，结果必然分散，然而实验却可以在相同的应力和一个足够宽的温度范围里进行，并在不同应力下重复实验。故可以
7、从Q 随着 T 的实际变化中分离出Q 与 的关系。 变温法采用样品少，但一般不能区分开 Q 与 T 的影响（由5- 4式不能直接导出表达式）。在恒温和恒应力下通过温度跳跃 测定激活能。为了获得易于测量的变化速度 ，在升温时一般降低应力，反之亦然。因此在不同温度下测定的激活能也是在不同应力下的测定的。,等温方法与变温法确定的表观激活能不是等价的,5.3 变形速度激活能和自扩散激活能的关系,第五章、温度对变形速度的影响,高温下最重要的热激活过程便是扩散，因此人们研究变形速度激活能Q和自扩散（单元情况）或组元原子的扩散（合金）或化合物激活能QD之间是否存在相互关系。 很久以前就有人指出了这一关系（K
8、anter,1938，），如若将Q及QD值的实验误差考虑在内，二者基本相同，由此表明高温变形是扩散控制过程，QQD。 不管晶体结构，如金属、共价、离子（在该情况下通常是其中的一种组元扩散控制变形）或分子键等，这一关系都成立。 Hawthorne和Sherwood（1970）测量了塑性分子晶体高温蠕变激活能，用以证明由示踪原了法测量的自扩散激活能是正确的。,5.3 变形速度激活能和自扩散激活能的关系,第五章、温度对变形速度的影响,实验事实：当碳含量增加时， 铁的自扩散系数增加，蠕变速度也发生同样的变化，激活能是相等的。,图5.7碳对 铁在1000 的自扩散和蠕变的影响， Sherby 和Burk
9、e（1967）,5.4 弹性模量的温度变化对Q的影响,第五章、温度对变形速度的影响,由此测定激活能值意味着假设 与 T 无关，即 Z 参数与温度无关。 可是已经知道，Z通过代表材料固有性质的一个中间材料常数依赖于 和材料组织，而弹性模量是其中的一个。通常材料的弹性模量随温度的变化不大，以致于在大多数情况下与指数项相比可以忽略这一变化。 但是，这个变化有时也可以很大。,5.4 弹性模量的温度变化对Q的影响,第五章、温度对变形速度的影响,镉的表观蠕变激活能在0.5Tm0.9Tm 范围内随温度明显升高 。 可以用 （/E）常数代替 （）为常数的蠕变实验来计算蠕变实验激法能，直接消除由于E随温度变化造
10、成的影响，通常得到Q=QD 的结果。,图5.9 镉的表观激活能与T/Tm间的关系， Sherby 和Burke（1967）,5.4 弹性模量的温度变化对Q的影响,第五章、温度对变形速度的影响,1,2,5.5 激活能随温度的变化,第五章、温度对变形速度的影响,由自扩散控制高温变形过程似乎是毫无疑问的。因此激活能Q具有明确的物理意义，其大小等于QD，而且显然与T无关。 可是，在文献中可以发现许多情况下Q都取决于T或似乎与T有关。这一现象尤其被铝和六方金属（Mg，Zn，Cd，1969）。,图5.10 纯铝的表观激活能与T/Tm间的关系， Sherby 和Burke（1967）,T/Tm,T,5.5
11、激活能随温度的变化面心立方铝,第五章、温度对变形速度的影响,存在多个激活过程，这些激活过程分别在不同的温度控制变形：在Q的两个平台之间的过渡区并存开动，而高温时为单一的扩散。 如若确产并存多个激活过程，则应该是由最快的一个控制变形。扩散变为足够快且成为优势的温度取决于并存机制的本质，当然也取决于所要求的速度（即根据施加的变形速度或为得到给定速度施加的应力）。 恒速流变的应力随温度升高而线型减小，当应力减小或温度增加时表现激活能增加【据（5.4）类型公式】，最后激活能达到稳定值Q=QD。 在高温时激活能均等于自扩散激活能，这与其它固体的大多数实验结果是相一致的。,5.5 激活能随温度的变化密排六方,第五章、温度对变形速度的影响,5.5 激活能随温度的变化密排六方,第五章、温度对变形速度的影响,通常可以发现激活能随温度而变化的曲线由一个位于0.7T附近的过渡区和由该过渡区分开的两个平台组成，这一现象通常归因于两个交替过程的存在 。 T0.7Tm，可能是自扩散控制的变形过程。 T0.7Tm，控制变形的激活能高于自扩散激活能，因此不再是自扩散控制，可能是由基面的螺型位错通过热激活脱离基面而在棱柱面上滑移的过程所控制。,
