第三種應(yīng)變時(shí)效與機(jī)械波譜關(guān)聯(lián)性探討

郭偉國(guó)，左紅星，孟衛(wèi)華，曾志銀，邵小軍

(1.西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院，西安710072，E-mail:weiguo@nwpu.edu.cn; 2.中國(guó)兵器工業(yè)第二0二研究所，陜西咸陽(yáng)710099)

第三種應(yīng)變時(shí)效與機(jī)械波譜關(guān)聯(lián)性探討

郭偉國(guó)1，左紅星1，孟衛(wèi)華1，曾志銀2，邵小軍2

(1.西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院，西安710072，E-mail:weiguo@nwpu.edu.cn; 2.中國(guó)兵器工業(yè)第二0二研究所，陜西咸陽(yáng)710099)

為理解和揭示第三種應(yīng)變時(shí)效現(xiàn)象，對(duì)DH36鋼在拉、壓加載，溫度從77 K到1 000 K，應(yīng)變率從0.001/s到3000/s下的塑性流動(dòng)行為進(jìn)行了系統(tǒng)研究，分析了時(shí)效發(fā)生的規(guī)律、特性以及時(shí)效發(fā)生的溫度、應(yīng)變率和應(yīng)變的關(guān)系.同時(shí)，基于間隙原子與位錯(cuò)相互作用的本質(zhì)，探討了第三種應(yīng)變時(shí)效現(xiàn)象與滯彈性材料機(jī)械波譜(即內(nèi)耗峰)關(guān)聯(lián)性.研究表明:金屬在第三種應(yīng)變時(shí)效溫度區(qū)經(jīng)變形后，材料的強(qiáng)度會(huì)提高，且材料的韌性(即斷裂應(yīng)變)并不變化;第三種應(yīng)變時(shí)效的發(fā)生需要一定的預(yù)變形以造成大量空位，這將有益于間隙原子在位錯(cuò)周?chē)臄U(kuò)散形成，當(dāng)溫度和變形率達(dá)到某一匹配值時(shí)，在后續(xù)連續(xù)的塑性變形過(guò)程中，圍繞位錯(cuò)的間隙原子氣團(tuán)連續(xù)對(duì)位錯(cuò)拖曳使得位錯(cuò)滑移阻力增加，導(dǎo)致第三種應(yīng)變時(shí)效發(fā)生;DH36鋼應(yīng)變時(shí)效發(fā)生時(shí)的峰值應(yīng)力溫度與應(yīng)變率呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系;第三種應(yīng)變時(shí)效發(fā)生的溫度區(qū)與金屬機(jī)械波譜(內(nèi)耗峰)溫度區(qū)基本一致，都具有波動(dòng)性，所以本質(zhì)上第三種應(yīng)變時(shí)效是機(jī)械波譜的另一表現(xiàn)形式.

第三種應(yīng)變時(shí)效;機(jī)械波譜;塑性流動(dòng);Snoek峰;Cottrell氣團(tuán)

金屬中具有“靜態(tài)應(yīng)變時(shí)效”和“Portevin-Lechatelier動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效”現(xiàn)象，“靜態(tài)應(yīng)變時(shí)效”是指溶質(zhì)原子向不運(yùn)動(dòng)的位錯(cuò)擴(kuò)散，在位錯(cuò)附近(或位錯(cuò)芯)形成溶質(zhì)原子氣團(tuán)釘扎住位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，這時(shí)如果施加的外力足夠高，位錯(cuò)將掙脫溶質(zhì)原子的束縛而運(yùn)動(dòng)，造成位錯(cuò)的脫釘.在應(yīng)力應(yīng)變曲線上“靜態(tài)應(yīng)變時(shí)效”表現(xiàn)為卸載中斷變形停留一定時(shí)間(即時(shí)效時(shí)間)，再次加載而出現(xiàn)的屈服應(yīng)力提高現(xiàn)象.靜態(tài)應(yīng)變時(shí)效與圍繞位錯(cuò)的溶質(zhì)原子氣團(tuán)的形成密切相關(guān)，由于溶質(zhì)原子必須通過(guò)晶格以便在位錯(cuò)周?chē)纬煞e累，所以再屈服點(diǎn)的增量值是時(shí)間的函數(shù)，它同樣與溫度有關(guān)，因?yàn)槿苜|(zhì)原子的擴(kuò)散是溫度相關(guān)的函數(shù).

由于障礙的連續(xù)性，位錯(cuò)在運(yùn)動(dòng)期間常會(huì)不斷被駐留(釘扎)，“動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效”即指塑性變形過(guò)程中位錯(cuò)的重復(fù)釘扎(不連續(xù)或重復(fù)的屈服出現(xiàn))［1-2］，這個(gè)現(xiàn)象也稱(chēng)為Portevin-Lechatelier效應(yīng).動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效的特點(diǎn)是時(shí)效與變形同時(shí)發(fā)生，這種現(xiàn)象是金屬中移動(dòng)著的溶質(zhì)原子(如鋼中的C、N)和運(yùn)動(dòng)中的位錯(cuò)發(fā)生交互作用時(shí)所表現(xiàn)的一種強(qiáng)化現(xiàn)象［3］.在塑性變形過(guò)程中，只有當(dāng)溶質(zhì)原子運(yùn)動(dòng)速度稍慢于運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)，彌散到位錯(cuò)處的遷移性溶質(zhì)原子才對(duì)運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)產(chǎn)生附加阻力，阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，這樣位錯(cuò)在運(yùn)動(dòng)期間受障礙的阻止出現(xiàn)重復(fù)釘扎，就呈現(xiàn)為鋸齒狀波形的流動(dòng)應(yīng)力［4］.在位錯(cuò)欲躍障礙期間，具有向位錯(cuò)偏聚傾向的Cottrell溶質(zhì)原子氣團(tuán)在位錯(cuò)處形成，對(duì)位錯(cuò)產(chǎn)生拖曳力，這個(gè)過(guò)程依賴(lài)溫度和變形率［5］.已發(fā)現(xiàn)鋼在從423 K到573 K期間所呈現(xiàn)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效是C和N原子的彌散結(jié)果［6］.對(duì)“Portevin-Lechatelier動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效”現(xiàn)象普遍解釋為，當(dāng)位錯(cuò)在短程障礙前欲躍時(shí)，在某個(gè)適當(dāng)溫度以上，具有遷移率/機(jī)動(dòng)性的溶質(zhì)原子擴(kuò)散到位錯(cuò)使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了附加的阻力［7-8］.在位錯(cuò)等待越過(guò)障礙前，Cottrell氣團(tuán)或溶質(zhì)核氣團(tuán)在位錯(cuò)上形成，這個(gè)形成依賴(lài)于溫度和變形率［6］.即溶質(zhì)原子可以以比位錯(cuò)速度快的速度在試樣內(nèi)擴(kuò)散，以趕上位錯(cuò)并鎖住它.在溶質(zhì)原子擴(kuò)散中，所需的空位由塑性變形產(chǎn)生.為了開(kāi)動(dòng)這個(gè)重復(fù)的屈服現(xiàn)象，需有一個(gè)臨界的塑性應(yīng)變來(lái)啟動(dòng)反復(fù)/鋸齒狀的屈服現(xiàn)象［9］.

在很寬溫度很寬應(yīng)變率范圍對(duì)金屬塑性流動(dòng)應(yīng)力測(cè)試時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)別于上述兩種時(shí)效行為的另一種現(xiàn)象，即在同一應(yīng)變率下，在某個(gè)溫度區(qū)域，隨溫度升高，流動(dòng)應(yīng)力先下降，然后轉(zhuǎn)而上升到一峰值應(yīng)力，然后再下降.在流動(dòng)應(yīng)力與溫度的曲線上會(huì)出現(xiàn)一峰值［10-13］.也就是說(shuō)，在某個(gè)溫度區(qū)，當(dāng)溫度T2比T1高時(shí)，T2溫度下流動(dòng)應(yīng)力要比T1的高.鑒于此流動(dòng)應(yīng)力的升高發(fā)生在某個(gè)溫度與應(yīng)變率耦合的情況下，為避免與“Portevin-Lechatelier動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效”現(xiàn)象在描述上相混淆，此現(xiàn)象稱(chēng)為“第三種應(yīng)變時(shí)效”.此現(xiàn)象的存在，導(dǎo)致金屬塑性流動(dòng)統(tǒng)一本構(gòu)關(guān)系建立較困難，所以大部分本構(gòu)關(guān)系避開(kāi)對(duì)這種時(shí)效發(fā)生的應(yīng)力［10-12］預(yù)測(cè)，使塑性流動(dòng)本構(gòu)關(guān)系描述不完整.更重要的是對(duì)這種現(xiàn)象發(fā)生的機(jī)理解釋?zhuān)?4-16］的合理性不完整，存在很大爭(zhēng)議.目前，對(duì)此現(xiàn)象的解釋和機(jī)理研究較匱乏.為此，本文在大量相關(guān)文獻(xiàn)的研究和分析基礎(chǔ)上，以DH36鋼第三種應(yīng)變時(shí)效現(xiàn)象為背景，對(duì)其發(fā)生的特性和規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)分析，研究其發(fā)生的溫度和應(yīng)變率條件.基于間隙原子與位錯(cuò)相互作用的本質(zhì)，探討滯彈性材料內(nèi)耗峰即機(jī)械波譜與第三種應(yīng)變時(shí)效現(xiàn)象的關(guān)聯(lián)性.

1 第三種應(yīng)變時(shí)效現(xiàn)象

1.1 DH36鋼拉伸加載下的應(yīng)變時(shí)效特性

在CSS1440電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了DH36鋼試樣在不同溫度不同應(yīng)變率的拉伸試驗(yàn)，為保證數(shù)據(jù)的可靠性，每種試驗(yàn)取3個(gè)試樣進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn).圖1為在應(yīng)變率0.001/s溫度293 K下典型的DH36鋼拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線，圖1中，τ表示真實(shí)應(yīng)力，γ表示真實(shí)應(yīng)變，γ·表示應(yīng)變率，T表示溫度，h表示時(shí)間.

圖1 DH－36鋼在應(yīng)變率0.001/s和溫度293 K下的拉伸變形行為

由圖1可以看出，當(dāng)應(yīng)變超過(guò)大約25%時(shí)，試樣出現(xiàn)明顯頸縮，所以拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)僅取到25%應(yīng)變.圖2和圖3給出了不同應(yīng)變下應(yīng)變率分別為0.001/s和0.1/s下DH36鋼流動(dòng)應(yīng)力與溫度的關(guān)系.由圖2可見(jiàn)，隨溫度從77 K增加到450 K，流動(dòng)應(yīng)力迅速下降，但當(dāng)溫度從450 K增加到660 K時(shí)(圖2中的T0.001區(qū)域)，在TDSA(溫度大約550 K)溫度流動(dòng)應(yīng)力增加到一峰值，然后，隨溫度增加應(yīng)力又逐漸下降.再參見(jiàn)圖3，在提高應(yīng)變率到0.1/s時(shí)，圖3具有與圖2類(lèi)似現(xiàn)象，只是隨應(yīng)變率提高，應(yīng)力峰值TDSA溫度移到更高溫度約620 K，應(yīng)力隨溫度增加區(qū)也移到更高溫度區(qū)540～770 K(即T0.1區(qū)).這種流動(dòng)應(yīng)力隨溫度增加的現(xiàn)象即為本文所說(shuō)的第三種應(yīng)變時(shí)效現(xiàn)象.

圖2 在圖示的應(yīng)變和0.001/s應(yīng)變率下流動(dòng)應(yīng)力與溫度的關(guān)系

圖3 不同應(yīng)變和0.1/s應(yīng)變率下流動(dòng)應(yīng)力與溫度關(guān)系

為檢查出現(xiàn)第三種應(yīng)變時(shí)效現(xiàn)象對(duì)材料性能的影響，進(jìn)行了中斷試驗(yàn)，見(jiàn)圖4.試驗(yàn)安排如下，參考圖2的應(yīng)力隨溫度變化情況，取一試樣為1號(hào)試樣，在非時(shí)效區(qū)(293 K)溫度先加載到18%應(yīng)變，這時(shí)卸載停留約6 min再加載至試樣破壞;然后取另一試樣為2號(hào)試樣，在進(jìn)入時(shí)效溫度區(qū)溫度前(473 K)下加載到18%應(yīng)變，這時(shí)卸載停留也約6 min再在293 K下加載至試樣破壞;可以看出第二次加載應(yīng)力基本與296 K溫度下應(yīng)力應(yīng)變曲線相同;最后另取一試樣為3號(hào)試樣，在時(shí)效溫度區(qū)573 K下先加載到18%應(yīng)變，這時(shí)卸載停留也約6 min再在293 K下加載至試樣破壞，這時(shí)明顯可以看出，第二次加載應(yīng)力值基本比296 K溫度下應(yīng)力應(yīng)變曲線高出50 MPa，這個(gè)增加的應(yīng)力50 MPa是由于先在時(shí)效溫度區(qū)變形后在293 K再加載導(dǎo)致的結(jié)果，同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，不管初始變形溫度怎樣變化，3個(gè)試樣的斷裂應(yīng)變是近似相同的，約為50%.

以上的中斷試驗(yàn)說(shuō)明:1)DH-36鋼在時(shí)效溫度區(qū)變形后，其材料的后續(xù)強(qiáng)度會(huì)提高;2)在時(shí)效區(qū)溫度內(nèi)材料經(jīng)過(guò)變形，材料的韌性(即斷裂應(yīng)變)并不變化;3)第三種應(yīng)變時(shí)效現(xiàn)象對(duì)材料后續(xù)性能有影響.

圖4 從不同初始變形溫度跳到293 K時(shí)流動(dòng)應(yīng)力變化

1.2 DH36鋼壓縮加載下的應(yīng)變時(shí)效特性

為了檢查DH36鋼在壓縮試驗(yàn)情況下的第三種應(yīng)變時(shí)效現(xiàn)象，本文詳細(xì)分析了Nemat-Nasser和Guo［11］的試驗(yàn)結(jié)果.由于熱激活位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，通常，溫度越高，金屬的塑性流動(dòng)應(yīng)力越低，對(duì)DH36鋼在溫度從77 K到1000 K，應(yīng)變率分別為0.001/s和3000/s時(shí)所進(jìn)行的塑性流動(dòng)試驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，在室溫以上溫度也觀察到1.1節(jié)流動(dòng)應(yīng)力隨溫度增加所出現(xiàn)的異常情況，參見(jiàn)圖5，當(dāng)應(yīng)變率為0.001/s時(shí)在500 K和600 K下塑性流動(dòng)應(yīng)力比在296 K時(shí)高，隨應(yīng)變率提高到3 000/s時(shí)，仍然觀察到在800 K和900 K下塑性流動(dòng)應(yīng)力比600 K下高，見(jiàn)圖6.比較不同應(yīng)變率在10%應(yīng)變下的流動(dòng)應(yīng)力發(fā)現(xiàn)，當(dāng)應(yīng)變率提高時(shí)這個(gè)異?，F(xiàn)象發(fā)生的溫度區(qū)域移向更高溫度區(qū)，見(jiàn)圖7.這就是壓縮加載下的“第三種應(yīng)變時(shí)效”現(xiàn)象.

由圖7可見(jiàn)，對(duì)于第三種應(yīng)變時(shí)效現(xiàn)象，對(duì)固定應(yīng)變10%，在應(yīng)變率0.001/s時(shí)效溫度區(qū)寬度為450 K(350～800 K);在應(yīng)變率0.1/s時(shí)效溫度區(qū)寬度為350 K(450～800 K;應(yīng)變率3000/s時(shí)效溫度區(qū)寬度為300 K(700～1000 K).在應(yīng)變率0.001/s時(shí)效溫度區(qū)峰值應(yīng)力680 MPa，在應(yīng)變率0.1/s時(shí)效溫度區(qū)峰值應(yīng)力640 MPa，在應(yīng)變率3000/s時(shí)效溫度區(qū)峰值應(yīng)力560 MPa.其特點(diǎn)是: 1)第三種應(yīng)變時(shí)效發(fā)生的起始溫度均在室溫(約296 K)以上;2)動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效溫度區(qū)寬度和時(shí)效區(qū)的最大峰值應(yīng)力均隨應(yīng)變率增加而減少.

圖5 在應(yīng)變率0.001/s不同溫度下DH36的流動(dòng)應(yīng)力

圖6 在應(yīng)變率3 000/s和不同溫度下DH36的流動(dòng)應(yīng)力

圖7 在應(yīng)變10%和不同應(yīng)變率下DH36的流動(dòng)應(yīng)力隨溫度的變化

對(duì)圖5和圖6中應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析發(fā)現(xiàn)，在圖5應(yīng)變率0.001/s下，當(dāng)應(yīng)變小于約2%時(shí)，296和400 K下應(yīng)力或屈服點(diǎn)應(yīng)力均高于500和600 K下的應(yīng)力，但隨應(yīng)變連續(xù)增加，500和600 K溫度下應(yīng)力應(yīng)變曲線整體高于296和400 K下的曲線，詳細(xì)變化規(guī)律見(jiàn)圖5.隨應(yīng)變率提高到3000/s(圖6)，所出現(xiàn)的現(xiàn)象與圖5相同，只是整個(gè)動(dòng)態(tài)時(shí)效溫度區(qū)移向更高溫度范圍，說(shuō)明第三種應(yīng)變時(shí)效的發(fā)生需要一定的初始塑性變形，而塑性變形在產(chǎn)生大量的活動(dòng)位錯(cuò)的同時(shí)伴隨大量的空位即缺陷產(chǎn)生.不同應(yīng)變值下流動(dòng)應(yīng)力與溫度的關(guān)系參見(jiàn)在應(yīng)變率為0.001/s下的曲線(圖8)，其變化規(guī)律與拉伸加載下圖2類(lèi)似.

圖8 在應(yīng)變率0.001/s下流動(dòng)應(yīng)力與溫度的關(guān)系

為了尋找第三種應(yīng)變時(shí)效發(fā)生與溫度和應(yīng)變率的關(guān)系，以第三種時(shí)效溫度區(qū)中的最大應(yīng)力對(duì)應(yīng)的溫度TDSA作為應(yīng)變率γ·的函數(shù)得圖9，通過(guò)曲線擬合會(huì)發(fā)現(xiàn)它們服從指數(shù)規(guī)律關(guān)系，即

圖9 DH36鋼時(shí)效溫度隨應(yīng)變率的變化

2 第三種應(yīng)變時(shí)效與機(jī)械波譜現(xiàn)象

通常，金屬塑性流動(dòng)是位錯(cuò)越過(guò)各種障礙的熱激活滑移過(guò)程，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)主要受到兩種障礙的阻力，即短程障礙和長(zhǎng)程障礙.短程障礙包括Peierls應(yīng)力、空位和自添隙原子等點(diǎn)缺陷、與滑移面交叉的位錯(cuò)、合金元素和溶質(zhì)原子.例如對(duì)BCC金屬主要要克服Peierls-Nabarro應(yīng)力.短程障礙可以通過(guò)熱激活而克服，因此，它隨溫度升高而降低，但隨應(yīng)變率升高這個(gè)短程障礙的阻力會(huì)增加.長(zhǎng)程障礙主要指晶界、遠(yuǎn)場(chǎng)林位錯(cuò)和其他有影響的遠(yuǎn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)元素，長(zhǎng)程障礙對(duì)溫度不敏感.塑性流動(dòng)應(yīng)力τ通常由兩部分表示，即熱激活部分τ*0(γ，γ·，T)和非熱部分τa0(γ).圖10給出了在不同應(yīng)變率下流動(dòng)應(yīng)力與溫度的變化曲線示意圖.其中γ是應(yīng)變、γ·是應(yīng)變率、T為溫度，τa0(γ)為不依賴(lài)于溫度的非熱流動(dòng)應(yīng)力.將圖10與圖2和圖3，以及圖7和圖8比較可以看出，第三種應(yīng)變時(shí)效出現(xiàn)后，圖10的流動(dòng)應(yīng)力除了熱激活部分τ*0(γ，γ·，T)和非熱部分

圖10 不同應(yīng)變率下流動(dòng)應(yīng)力與溫度的變化曲線

τa0(γ)，還要加上由第三種應(yīng)變時(shí)效出現(xiàn)所需附加應(yīng)力τd(γ·，T)，見(jiàn)圖10所示的TDSA部分流動(dòng)應(yīng)力，即總的流動(dòng)應(yīng)力應(yīng)為

根據(jù)第1節(jié)試驗(yàn)結(jié)果可知，第三種應(yīng)變時(shí)效的出現(xiàn)與應(yīng)變率和溫度耦合緊密相關(guān)，即這種時(shí)效出現(xiàn)的溫度隨應(yīng)變率增加會(huì)移到更高溫度區(qū)發(fā)生，而發(fā)生的時(shí)效區(qū)溫度范圍隨應(yīng)變率增加而減少，時(shí)效區(qū)的峰值應(yīng)力隨應(yīng)變率增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，也說(shuō)明這種時(shí)效的發(fā)生隨應(yīng)變率提高有減弱趨勢(shì)，隨溫度和應(yīng)變率具有波動(dòng)性，如圖7所示.

值得注意的是金屬中發(fā)生的內(nèi)耗峰與溫度和頻率也緊密相關(guān)，且具有波動(dòng)性，而對(duì)于內(nèi)耗現(xiàn)象，自1939年Snoek在α-Fe中發(fā)現(xiàn)內(nèi)耗峰以來(lái)，對(duì)于金屬特別是BCC金屬先后發(fā)現(xiàn)了冷加工峰、200，220或250℃峰、Snoek-Koster峰、Snoek-Ke-Koster峰［17］等多種金屬中的內(nèi)耗峰值現(xiàn)象，也稱(chēng)為金屬中的機(jī)械波譜現(xiàn)象.

而在滯彈性金屬中，特別是BCC金屬中的內(nèi)耗現(xiàn)象(像Snoek峰)是由于C，N，O這些間隙溶質(zhì)原子與位錯(cuò)相互作用的緣故，內(nèi)耗峰隨溫度和頻率具有波動(dòng)性，即機(jī)械波譜現(xiàn)象［18］.參見(jiàn)文獻(xiàn)［18］和［19］中內(nèi)耗峰隨溫度和頻率的波動(dòng)性關(guān)系看出，內(nèi)耗峰的高度與間隙原子的濃度有關(guān)，內(nèi)耗峰隨頻率增加而移向更高溫度值［18］

在內(nèi)耗峰的解釋方面，在BCC金屬中，溶質(zhì)原子往往駐留在晶格的八面體和四面體場(chǎng)中，Weller［21］認(rèn)為，內(nèi)耗峰(Snoek峰)可歸于誘導(dǎo)具有彈性偶極的間隙原子重新取向所需要的應(yīng)力，在臨近場(chǎng)之間間隙原子的跳躍不僅與偶極性取向有關(guān)，它同樣是間隙原子擴(kuò)散的基本步驟.Snoek峰的高度與間隙原子的濃度和溫度的倒數(shù)成正比例.純BCC金屬中內(nèi)耗峰被認(rèn)為是由于螺型和非螺型位錯(cuò)上彎結(jié)對(duì)的形成，間隙原子與位錯(cuò)上彎結(jié)對(duì)的相互作用是 Snoek-Koster松馳的特征，Tkalcec和Mari［19］在馬氏體結(jié)構(gòu)碳鋼的機(jī)械波譜研究中發(fā)現(xiàn)有4個(gè)內(nèi)耗峰值(2 kHz下)，即在溫度130、260、400和600 K.Ivanchenko等［22］在對(duì)Inconel 600和900合金鋼動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效情況下碳原子內(nèi)耗及其重新分布動(dòng)力學(xué)研究中指出，在動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效發(fā)生溫度以上，內(nèi)耗峰明顯增加，這是變形引起碳原子的在微觀上的重新分布，由于塑性變形的局部化是動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效的特征，這種變形的局部化導(dǎo)致碳原子在劇烈塑性流動(dòng)區(qū)大量積聚.當(dāng)然變形對(duì)碳原子內(nèi)耗峰值影響的另一種解釋是碳原子-空位隊(duì)的滯彈性響應(yīng).Strahl等［18］指出，塑性應(yīng)變、溶質(zhì)原子含量、碳間隙原子和空位的有序性和(及)含量對(duì)內(nèi)耗的影響可歸于對(duì)位錯(cuò)的扭折形核和運(yùn)動(dòng).

3 分析和討論

本文的第三種應(yīng)變時(shí)效不但在BCC及其合金中存在，同樣在FCC和HCP中也會(huì)發(fā)生［13，15］，這種時(shí)效出現(xiàn)與溫度和應(yīng)變率的耦合關(guān)系有關(guān)聯(lián)，例如對(duì)于本文的DH36鋼，時(shí)效的發(fā)生關(guān)系符合式(1).第三種應(yīng)變時(shí)效發(fā)生隨溫度和變形率具有波峰(動(dòng))性，如圖7所示，再結(jié)合上面第2節(jié)對(duì)內(nèi)耗現(xiàn)象的分析，可以看出這種時(shí)效現(xiàn)象與內(nèi)耗峰現(xiàn)象非常相似.

在圖11中，在金屬的塑性流動(dòng)過(guò)程中，位錯(cuò)要通過(guò)各種障礙滑移，位錯(cuò)實(shí)質(zhì)上是原子沿密排方向即晶格間最短距離的移動(dòng)，這樣的移動(dòng)會(huì)造成大量空位，而作為間隙原子4或5要越過(guò)1-2溶劑原子間的障礙需要的能量很大，如圖11(b)所示，但當(dāng)1號(hào)溶劑原子在應(yīng)力和熱激活作用下移到空位時(shí)，間隙原子4或5很容易跟隨1號(hào)溶劑原子向間隙原子7原來(lái)的位置移動(dòng)，但同時(shí)注意，原子移動(dòng)還要受周?chē)渌討?yīng)力場(chǎng)的作用，間隙原子移動(dòng)即擴(kuò)散速度與溫度有很大關(guān)系，溫度越高擴(kuò)散越快.從第1節(jié)已知，塑性變形導(dǎo)致更多活動(dòng)位錯(cuò)生成，進(jìn)而造成很多空位利于間隙原子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，間隙原子也會(huì)與運(yùn)動(dòng)著的溶劑原子(位錯(cuò)運(yùn)動(dòng))相互作用形成對(duì)位錯(cuò)的阻力，當(dāng)在“特定溫度”下間隙原子擴(kuò)散速度與位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)匹配，在位錯(cuò)周?chē)纬蒀ottrell氣團(tuán)連續(xù)的的拖曳位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力升高，出現(xiàn)了本文的第三種應(yīng)變時(shí)效現(xiàn)象.而對(duì)特定材料這個(gè)“特定溫度”和機(jī)械波譜內(nèi)耗峰溫度一致，例如已發(fā)現(xiàn)對(duì)于以BCC結(jié)構(gòu)為合金的鋼中，在523 K和600 K附近具有內(nèi)耗峰值出現(xiàn)(溫度值會(huì)隨頻率會(huì)變化)［18，20］，而對(duì)本文以 BCC結(jié)構(gòu)為合金的DH36鋼中，在應(yīng)變率0.001/s下，第三種應(yīng)變時(shí)效溫度區(qū)應(yīng)力峰值也在600 K溫度附近.這不應(yīng)是一種特定的巧合，而是與金屬中機(jī)械波譜機(jī)制一致，是它的另一種反映.

圖11 間隙原子的自由能與位置的關(guān)系

4 結(jié)論

1)DH-36鋼在拉、壓加載下均發(fā)生第三種應(yīng)變時(shí)效現(xiàn)象，通過(guò)中斷試驗(yàn)證明，DH-36鋼在時(shí)效溫度區(qū)經(jīng)變形后，材料的強(qiáng)度會(huì)提高，且材料的韌性(即斷裂應(yīng)變)并沒(méi)變化.

2)這種時(shí)效的出現(xiàn)與應(yīng)變率和溫度耦合有關(guān)，且這種時(shí)效出現(xiàn)的溫度區(qū)寬度隨應(yīng)變率增加而減少，時(shí)效區(qū)的峰值應(yīng)力隨應(yīng)變率增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，說(shuō)明這種時(shí)效隨應(yīng)變率提高有減弱趨勢(shì).

3)若以時(shí)效溫度區(qū)中的最大應(yīng)力對(duì)應(yīng)的溫度TDSA作為應(yīng)變率γ·的函數(shù)畫(huà)曲線，通過(guò)曲線擬合會(huì)發(fā)現(xiàn)它們服從指數(shù)數(shù)關(guān)系.

4)第三種應(yīng)變時(shí)效的發(fā)生需要一定的初始塑性變形，而塑性變形會(huì)產(chǎn)生大量的活動(dòng)位錯(cuò)，進(jìn)而導(dǎo)致大量的空位即缺陷，這樣造成的大量空位，有益于間隙原子在位錯(cuò)周?chē)臄U(kuò)散形成，當(dāng)溫度和變形率到某一匹配值時(shí)，在后續(xù)連續(xù)的塑性變形過(guò)程中，圍繞位錯(cuò)的間隙原子氣團(tuán)連續(xù)對(duì)位錯(cuò)拖曳使得位錯(cuò)滑移阻力增加，導(dǎo)致第三種應(yīng)變時(shí)效發(fā)生.

5)通過(guò)對(duì)第三種應(yīng)變時(shí)效現(xiàn)象出現(xiàn)的溫度以及應(yīng)變率關(guān)系發(fā)現(xiàn)，這種時(shí)效的出現(xiàn)具有明顯的波動(dòng)性，同時(shí)注意到金屬中內(nèi)耗峰隨溫度和頻率也具有波動(dòng)性，且第三種應(yīng)變時(shí)效發(fā)生的溫度與金屬機(jī)械波譜(內(nèi)耗峰)溫度基本一致，說(shuō)明第三種應(yīng)變時(shí)效是機(jī)械波譜在金屬塑性流動(dòng)過(guò)程的另一表現(xiàn)形式.

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Discussion of the relevancy of the third-type strain aging and mechanical spectroscopy

GUO Wei-guo1，ZUO Hong-xing1，MENG Wei-hua1，ZENG Zhi-yin2，SHAO Xiao-jun2
(1.School of Aeronautics，Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710072，China，E-mail:weiguo@nwpu.edu.cn; 2.No.202 Research Institute of China Ordnance Industry，Xianyang 710099，China)

To understand the third-type strain aging phenomena，the plastic flow behavior of DH36 steel is systematically studied under tensile and compression load over a temperature range from 77 K to 1000 K，and a strain-rate range from 0.001/s to 3000/s.Based on essential interaction between interstitial atoms and dislocation，the relevancy relation between the internal friction peak(or mechanical spectroscopy)in anelastic materials and the third-type strain aging phenomena are explored.The reseaches show that through pre-deformation during the third-type strain aging temperature region，the strength of metal increases and its toughness does not change.In continuous plastic deformation，the interstitial atoms atmosphere around the dislocation continually drags and increases gliding resistance to the dislocation motion，this results in the third-type strain aging phenomena.The temperature of the aging peak stress is exponential to strain rate for DH36 steel.The occurring temperature region of the third-type strain aging phenomena is basically consistent with that of mechanical spectroscopy(the internal friction peak)，essentially this aging is another mode of mechanical spectroscopy.

third-type strain aging;mechanical spectroscopy;plastic flow;snoek peak;cottrell atmosphere

TG142.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1005-0299(2012)01-0128-07

2011-04-24.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(10872169);爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金資助項(xiàng)目(KFJJ11-11Y);國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(613116).

郭偉國(guó)(1960-)，男，教授，博士生導(dǎo)師.

(編輯 呂雪梅)