在疲劳载荷下含铜4%的铝合金中的位错钉扎和解脱

【摘　要】用Al-4％Cu合金进行了恆应变扭转疲劳试验,观察到ΔE在起始阶段下降直至接近零值,经过一定的疲劳循环数以后又重新上升。金相观测的结果指出,ΔE的重新上升对应着滑移区的突然变得集中。这有力地证明了我们以前所作的假设,即局部化滑移区的出现是引起ΔE的一种基本过程。在疲劳载荷下的T_m在超始阶段上升,但上升至最高值并保持此值经过一定的疲劳循环数以后,出现骤然的下降,这正对应着ΔE的重新上升。这种现象的出现可能是反映着在前期疲劳载荷下被钉紥的位错得到了骤然的解脱。初步认为,位错的被钉紥和随后得到解脱的过程,是由于在疲劳初期所形成的溶质铜原子气团沿着位错线的某些有利地段富集成核,同时使位错线上的另一些地段从溶质原子中解脱出来。随着富集核的逐惭增大,和其间的得到了解脱的位错段的长度的逐渐增加到某一临界值,便在疲劳载荷下出现了位错“雪崩”的现象,产生了大量的新位错,这使T_m骤然降低,并且导致局部滑移地区的形成,从而使ΔE重新增加。     

不同加载条件下位错和溶质原子交互作用的数值模拟

动态应变时效,即位错和溶质原子的动态交互作用,对合金材料的力学性质产生重要影响. 本文基于蒙特卡罗方法,建立了“多位错-溶质原子” 二维动力学模型,分别模拟了单位错-恒定应力率、多位错-无应力、多位错-恒定应力和多位错-恒定应力率四种条件下位错和溶质原子的演化过程. 单位错-恒定应力率情况下,低应力率时位错被溶质原子钉扎而无法脱钉,高应力率时位错未被钉扎而一直运动,只有在适当应力率范围内,位错才呈现出反复的钉扎和脱钉;多位错-无应力时,溶质原子向正/负位错的下/上方偏聚;多位错-恒定应力时,位错运动受溶质原子钉扎的影响随应力增大而减小;多位错-恒定应力率时,集群化的钉扎和脱钉过程导致了位错总位移呈现阶梯状的演化. 模拟结果表明：“位错-溶质原子”尺度上呈现了动态应变时效微观过程,与其理论描述相一致. 关键词： 动态应变时效 动力学模型 位错运动     

在铝镁合金的疲劳载荷过程中溶质原子与位错的交互作用

本文进行了淬火状态的、含0.52,0.91,3.46和5.15％Mg的铝合金的扭转疲劳试验,测定了相应的ΔE-N曲线和T_m-N曲线。实验结果指出,对于含镁量为0.52,0.91％的试样来说,当表面扭应变较小时,ΔE在起始时,随着应力循环数的增加而下降。当表面扭应变增大时,ΔE-N曲线始而变平,继而上升,直至达到一较高值才稳定下来。当试样中的含镁量为3.46％时,在扭应变不太大时,ΔE-N曲线的变化情况与Al-4％Cu合金的相象,不过当扭应变足够大时,ΔE起始时上升,并且经过一个峯值又下降。当含镁量增至5.15％时,ΔE-N曲线的表现已完全与Al-4％Cu合金的相象,在所用的最高表面扭应变下也并不表现出明显的峯值。对于所用的各种成分的试样来说,最大抗扭矩T_m起始总是上升的。上述结果都可以根据溶质镁原子在疲劳过程中渐渐进入位错,形成气团来解释。可以认为,在铝镁合金的情形,产生ΔE的因素以及影响ΔE的大小的因素,对于疲劳载荷的起始阶段来说,可能都主要是由于气团的作用。当含镁量较低时,对于足够高的表面扭应变来说,气团较为松动,位错能够拖着气团运动,从而需要作功,使ΔE和T_m都上升。但当合镁量较高时,或表面扭应变不太大时,在疲劳一起始就形成了能够对于位错起钉扎作用的足够浓的气团。继续进行疲劳时,进入位错的溶质原子将使位错的动性进一步降低,导致ΔE起始下降,T_m起始上升。此外,还对于经过不同时效处理的Al-0.52％Mg和Al-3.46％Mg合金进行了疲劳试验,观测到应变时效现象,这与上述的溶质原子气团模型相合。     

位错与溶质原子间动态相互作用的数值模拟研究

通过Cottrell-Bilby型溶质动力学模型，对位错线周围的溶质原子浓度随应变率的变化进行了研究，并得到了三种不同的位错-溶质相互作用方式：在低应变率时，位错被溶质原子气团充分钉扎，它上面的溶质浓度近似达到饱和；在高应变率时，脱钉作用占主导地位，位错运动几乎不受深质影响；而在中间应变率时，位错反复经历着钉扎和脱钉过程，动态应变时效发生.此外，通过对模型方程的推导，还自然地得到了平衡状态下率相关流动应力与应变率之间的N形关系曲线. 关键词： 位错 溶质原子 动态应变时效 数值模拟     

镁-钇稀固溶体的应变时效

其中R,θ是极坐标;μ是切变模量;b是柏氏向量;εr是以一个溶质原子代替一个溶剂原子时半径的改变;r是溶剂原子的半径。 由于溶质原子与位错有交互作用,因此溶质原子要向过度应变晶体中的静止位错迁动,形成气团,从而把位错钉扎住,这就是所谓应变时效现象。Cottrell,Bilby应用(1)式处理了应变时效的动力学过程,得到在t时间内分聚到位错上去的溶质原子数N是     

铝在疲劳载荷作用下所发生的基本过程

【摘　要】进行了99.6％工业纯铝和99.99％高纯铝(退火和冷加工)的扭转疲劳试验,测定了经过各种应力循环数N以后的滞后迴线的形状和面积,从而算出了在每次循环中的能量消耗ΔE和最大抗扭矩T_m。对于所得到的ΔE-N曲线和T_m-N曲线进行了分析,并与在疲劳试验的各个阶段对于试样表面所作的金相观测结果作了比较,认为在试样中未出现局部滑移区以前,引起ΔE和T_m的基本过程是空位对于位错的钉紥作用,这是一种体积效应,但是在局部滑移区出现以后,这种滑移区引起额外的能量消耗,而对于T_m的影响并不显著,因而在这个阶段里T_m和ΔE的变化便不再彼此相对应。这种分析可以澄清过去文献中关于ΔE和T_m(代表硬度变化)在疲劳过程中的变化的许多互不一致的结果。假定实验所观测到的曲线是这两种过程(整体过程和局部过程)所引起的效应的迭加,并且假定这两种过程对于ΔE和T_m的贡献由于疲劳振幅的大小、试样的处理状态(退火或冷加工)以及所合杂质之不同而异,可以满意地解释实验所观测到的各种曲线的形状和位置。这个观点的正确与否还有待于进一步的实验证实。     

时效、断续载荷和再溶处理对于铝铜合金的疲劳过程的影响

【摘　要】本文研究了各种处理对于含铜1％、2％和4％的铝合金在疲劳载荷下ΔE和T_m的变化的影响,并进行了相应的金相观测。用Al-1％Cu合金所进行的试验指出,当外加扭应变较大时,ΔE和T_m曲线的形状类似于高纯铝或工业纯铝;当扭应变较小时,或在室温进行预先时效后,曲线的形状类似于Al-4％Cu合金。这些结果都可以根据溶质原子对于位错的交互作用的看法得到解释。对于Al-1％Cu和Al-2％Cu合金进行了断续的疲劳载荷试验,结果证明了ΔE在疲劳后期的上升是由于试样里出现了集中的粗滑移区,而不是由于疲劳载荷引起了过时效从而使试样发生软化的结果。用Al-4％Cu合金进行了疲劳和再溶处理的试验,根据ΔE和T_m曲线的表现情况来看,认为如在ΔE的后期上升后立即对试样进行再溶处理,即可以使试样回复到原来的状态,但当ΔE上升过了一个时期以后,由于试样中已有裂缝出现,对试样进行再溶处理,反足以加速试样的断裂。根据实验结果,可以总结出两个具有实际意义的推论:(1)由于粗滑移带的出现是形成疲劳裂缝的先声,所以有可能通过测量ΔE的方法来查知初发裂缝的形成;(2)通过加入合金元素和进行热处理的方法,可以推迟粗滑移带的出现,从而提高铝合金试样的疲劳寿命。     

Sm(CobalFe0.1Cu0.1Zr0.033)6.9高温永磁合金的矫顽力

对Sm(Co_balFe_0.1Cu_0.1Zr_0.033)_6.9合金, 经810℃等温时效后以0.5℃/min逐渐冷却, 在600℃-400℃温度区间淬火, 研究了不同淬火温度下的磁滞回线、磁畴和矫顽力温度系数β. 发现时效600℃淬火后磁滞回线出现台阶状, 说明畴壁中应存在两处钉扎. 随淬火温度的降低, 合金的室温矫顽力显著增加, 磁滞回线的台阶消失. 通过磁畴形貌发现时效600℃淬火后的磁畴接近条形畴, 1:5相中Cu分布相对均匀, 形成的畴壁钉扎较弱, 从而使磁滞回线出现台阶, 决定矫顽力的畴壁钉扎位于两相界面处; 随时效淬火温度的降低, 磁畴逐渐细化, 畴壁1:5相中的畴壁能降低, 形成了较强的内禀钉扎, 并决定材料的矫顽力, 两相界面处的畴壁钉扎被掩盖. 对不同温度淬火合金的高温矫顽力研究表明, 最强的畴壁钉扎位于两相界面处时, 矫顽力随温度升高逐渐增加, 矫顽力出现温度反常现象; 最强的畴壁钉扎位于1:5相中心时, 矫顽力随温度升高逐渐衰减. 当测试温度达到500℃后不同淬火温度样品的矫顽力几乎相同, 此时最强畴壁钉扎均在两相界面处.     

镁中位错和非晶作用机制的分子动力学模拟

镁合金作为最轻的金属结构材料,被誉为21世纪的“绿色工程材料”,具有广阔的应用前景.晶体-非晶双相纳米镁材料更是表现了优异力学性能,但是晶体中位错与非晶相的相互作用机制尚不明确.本文采用分子动力学模拟方法研究了剪切载荷作用下纳米晶镁中刃位错与非晶相的相互作用机制.研究结果表明,纳米晶镁中非晶相与位错的相互作用机制表现出一定的尺寸依赖性.相较于非晶相尺寸较小的样品,较大的非晶相尺寸会导致较大的二次应力强化现象.非晶相和位错的作用机制主要归结为非晶相对位错的钉扎作用.对于非晶相尺寸较小的样品,非晶相对位错的钉扎作用有限,钉扎时间较短,其相互作用主要是位错绕过非晶相的机制;而对于非晶相尺寸较大的样品,非晶相对位错的钉扎作用较大,钉扎时间较长,其相互作用主要是非晶相引发的位错的交滑移机制.本文的研究结果对于设计和制备高性能的镁及其合金材料具有一定的参考价值和指导意义.     

疲劳载荷作用下铝镁合金中的粗滑移区的形成

过去关于铝和铝铜合金的研究工作指出,在疲劳载荷过程中的能量消耗(△E)所发生的变化可以分成两个不同的阶段。第一阶段相当于位错的被钉札,在第二阶段里△E的再上升则表示已有粗滑移区出现。为了进一步验证这种看法,在本文中用含镁量为0.52,0.91,3.46和5.15％的铝合金进行了扭转疲劳试验,测定了经过各种应力循环数N以后的滞后迴线的面积,从而算出在每次循环中的能量消耗△E。在疲劳载荷经过不同循环数后,试样表面进行金相观测的结果指出,对于所用的合金而言,滑移痕迹的变化都表现出两个明显不同的阶段。在第一阶段里,常常观察到几组细而直的滑移线均匀分布在一个晶粒内。在第二阶段里,某一组滑移线变得集中而粗化成簇。一般而言,在镁含量较低(0.52,0.91％)的合金里,以及当扭应变较大时,粗滑移区出现得较早。将所观察到的△E-N曲线的变化与粗滑移区的出现做了比较,并且考虑到在疲劳载荷过程中第一阶段和第二阶段的△E可能发生重迭的情况,指出了试样里出现粗滑移区可以引起△E在疲劳后期的再上升。这与过去关于铝和铝铜合金所得结果相合。本文还讨论了位错在疲劳载荷第一阶段里被溶质原子气团所钉札的状态与粗滑移区的随后形成的联系。     

铝-银合金在疲劳过程中所表现的一些特点

本工作进行了淬火Al-7.27％Ag合金的扭转疲劳试验,测定了各种扭应变下的△E-N曲线,并且观察了经过各种循环数以后试样的表面金相变化。实验结果指出,当扭应变较小时,△E随着循环数N的增加而逐渐下降,△E-N曲线的变化类似Al-Cu和Al-Mg合金在较低扭应变下的情况。但当扭应变较大时,△E开始略有下降,随后上升到某一较高值后再下降,直至试样断裂。△E-N曲线的形状与Al-Cu和Al-Mg合金完全不同。试样表面的金相变化分为两个明显不同的阶段。在疲劳的起始阶段,滑移痕迹细而均匀,但经过一定循环数后,少数滑移痕迹变得集中而深化。随着循环数的增加,新的滑移带在原有滑移带之间不断地出现,没有纯Al和Al-Mg合金中滑移带变宽的情况。还看到了裂纹沿晶界的形成和发展。根据溶质银原子与位错的电交互作用和位错切割银原子簇的观点,对所得到的结果进行了讨论。 关键词：     

Pinning potential of stacking fault-related dislocations in YBa2Cu3O7

The pinning potential of the 031 type dislocation has been calculated. This dislocation bounds the excess Cu---O layer defect commonly observed in YBa₂Cu₃O₇. It was found that there is a strong pinning anisotropy between edge dislocations lying along [100] and [010]. For the former, a repulsive potential of about 30 meV is found, while the latter exhibits an attractive interaction of less than this magnitude. This potential is short-range (about 2ξ), indicating that these dislocations would act as distributed point-like pinning sites.     

Different types of dislocation dynamics resulting from the dynamic aging of dislocations

The effect of mobile impurities on the dislocation dynamics under static and variable loading of crystals is calculated. It is shown that the dynamic aging of dislocations may produce a specific regime where dislocations are at rest upon static loading and move only under a growing stress. The dislocation mobility in this regime is athermal. The existence conditions for this regime are studied. The dependence of the dislocation path lengths in silicon on the stress pulse rise time that is observed in pulsed-load experiments is explained by the existence of this regime.     

An extended read model for grain boundaries in GaAs

The space charging properties of grain boundaries in GaAs are discussed using an extended Read dislocation model. Model calculations for medium to high angle grain boundaries show: (1) the core-site occupational probability for a dislocation at the grain boundary is at least an order of magnitude lower than would be expected on the basis of simple Read theory; (2) due to the strong core-core interaction of the dislocations, the depletion width W decreases with an increase in tilt angle θ: and (3) W is approximately independent of θ in highly doped (N_D ? 10₁₇/cm³) material. Comparisons between model predictions and experimentally determined depletion widths of grain boundaries in GaAs are presented.