多晶铝力学行为的细观实验分析

本文用云纹法测量了高纯铝大晶粒多晶试样的细观变形场．观测了晶界滑错、晶体刚性转动、三晶交点处的变形和应变．实验发现，由于晶界滑错其附近存在着高剪应变差并引起晶粒内部变形场的细观不均匀，使Ｔａｙｌａｒ假设失效．实验结果为细观本构理论的研究提供了重要实验依据．     

大晶粒多晶铝试样细观变形测量

用面内云纹和影像云纹相结合的方法，测量了高纯铝多晶大晶粒试样的细观变形场。观察记录了晶界滑错，晶粒刚体转动，三晶交点处变形场和应变场。由于晶界滑错在晶界两侧存在高剪应变差，晶粒内塑性变形由均匀到非均匀布，多晶体出现不稳定的塑性流动，直至破裂。     

裂纹尖端离画变形场的实验测量与数值分析的比较

用Nomarski棱镜微差干涉法和有限元方法分别测量和计算了黄铜金属材料I型裂纹尖端的离面变形场，在此基础上对比分析了黄铜材料宏观、细观离面变形的特征。宏观离面变形主要集中发生在裂纹尖端1mm^2范围内，最大离面变形发生在裂纹尖端。细观离面变形与滑移带、细观组织及细观结构密切相关。晶粒内部的变形导致滑移带出现，在滑移带上离面变形有突变。在相邻晶粒之间，离面变形连续与否取决了晶粒细观结构的差别。离面变形可以越过晶粒向前传递。实验还发现，在宏观剪切带上离面变形比较明显。     

裂纹尖端离面变形场的实验测量与数值分析的比较

用 Nomarski棱镜微差干涉法和有限元方法分别测量和计算了黄铜金属材料 I型裂纹尖端的离面变形场 ,在此基础上对比分析了黄铜材料宏观、细观离面变形的特征。宏观离面变形主要集中发生在裂纹尖端 1 mm2 范围内 ,最大离面变形发生在裂纹尖端。细观离面变形与滑移带、细观组织及细观结构密切相关。晶粒内部的变形导致滑移带出现 ,在滑移带上离面变形有突变。在相邻晶粒之间 ,离面变形连续与否取决于晶粒细观结构的差别。离面变形可以越过晶粒向前传递。实验还发现 ,在宏观剪切带上离面变形比较明显     

晶体相场模拟取向角对晶界湮没过程的影响

【目的】研究大角晶界的位错运动和相互作用,揭示晶界发射位错的内在原因。【方法】采用晶体相场模型模拟不同取向角的晶界位错湮没过程。【结果】晶界湮没有如下主要过程:开始时位错沿晶界攀移,随后晶界发生位错发射,位错运动方式由攀移转化为滑移;位错滑移穿过晶粒内部,在到达对面晶界处发生湮没;其余的晶界位错仍作攀移运动,再次出现晶界发射位错;滑移位错与其它位错在晶内相遇发生湮没。【结论】位错在晶界处湮没,自由能曲线的谷较浅,而在晶粒内部湮没,能量曲线的谷较深;晶界攀移的位错越多,能量曲线的峰越高。     

变形晶粒三叉晶界迁移过程的晶体相场模拟

【目的】研究纳米多晶材料受力变形过程中微观结构(如内部晶界,位错等)的演化过程,揭示纳米多晶材料受应力作用的微观机理。【方法】通过晶体相场(Phase field crystal,PFC)模型,模拟多晶样品在外加应力作用下的变形过程,分析内部畸变能的变化情况。【结果】在外加双轴动态加载作用下,当应变较小时,样品中的晶粒没有发生较大的变形,以位错沿着晶界运动为主。随着应变的增加,样品开始出现晶粒旋转、晶粒吞并、大小角晶界迁移运动、三叉晶界发射和接收位错等现象。晶界释放位错有助于减少晶界表面能;吸收位错则增加了晶界表面能。【结论】晶体相场方法可以有效模拟多晶体材料塑性变形过程的微观结构演化。     

薄带连铸取向硅钢的热轧孪生行为

薄带连铸流程下取向硅钢粗大λ晶粒(〈100〉//ND,normal direction)的“遗传”会导致磁性能恶化.为解决这一问题,针对取向硅钢的热轧孪生行为开展研究,结果表明:凝固组织粗大的取向硅钢在650℃热轧时可产生大量112〈111〉形变孪晶,这与具有高层错能的硅钢在较高温度下难以孪生变形的传统认知不同.热轧过程中复杂的应力状态降低了变形孪晶的取向依赖性,由于具有更高的储存能,孪晶界/孪晶界及孪晶界/晶界交叉点成为再结晶形核的优先位置,大大提高了常化过程中的再结晶率,受沿孪晶界应变分布及孪晶间距离的限制,沿孪晶界形核的再结晶晶粒通常呈“饼状”,最终形成以细小且取向漫散的再结晶晶粒为主的常化组织,消除了初始凝固组织中有害的粗大λ晶粒.     

轧制变形量对高纯铝三叉晶界、晶界形变及退火行为的影响

采用电子背散射衍射(electron backscattered diffraction,EBSD)技术研究了不同变形量高纯铝试样的变形行为和退火后三叉晶界及晶界的迁移行为.研究结果表明,冷轧变形后三叉晶界附近的点对原点的取向差与泰勒因子及施密特因子有很好的一致性.具有较大施密特因子或者较小泰勒因子的晶粒的取向差较大,并且随着变形量的增大取向差的最大值也增大.Kernel平均取向差(Kernel average misorientation,KAM)图表明塑性变形时,三叉晶界和晶界处应变集中.对于冷轧变形量为17%的三叉晶界,施密特因子最大的晶粒内部滑移带终止于晶内,主要原因是相邻晶粒变形时为了相互协调,晶界附近的晶粒间发生了较大偏转,出现了晶界影响区外;对于变形量为35%的三叉晶界,除了出现晶界影响区外,在施密特因子最大的晶粒内三叉结附近出现了折痕.随后试样经过第一次400?C退火15 min,三叉晶界及其相关晶界发生了迁移,并且晶界在原来的位置留下了鬼线.晶界都是由施密特因子较小的晶粒向施密特因子较大的晶粒迁移,也就是由硬取向的晶粒向软取向的晶粒迁移,并且迁移后晶界变得更弯曲,晶界的迁移距离比三叉结的大,说明在此温度下退火后,三叉结对晶界的迁移有拖曳作用.三叉晶界及其晶界的迁移量随着变形量的增大而增大,这是因为变形量大、储能高,给三叉晶界及晶界提供的驱动力也大.最后试样经过第二次400℃退火17 min,为了降低第一次退火后残留的应变能,晶界又进一步迁移.     

二维大取向角对晶界湮没过程的晶体相场模拟

【目的】针对大角正方相晶界的位错结构,揭示在外应变下的位错运动和位错反应的微观机理。【方法】采用双模晶体相场(PFC)模型,模拟大角度取向角位错湮没过程。【结果】晶界上的位错是由4个位错组成1个位错对。晶界湮没有如下主要过程:开始时位错沿晶界攀移,随后晶界发生位错分解并发射,位错运动方式由攀移转为滑移;滑移位错与其他位错在晶内相遇发生湮没,其余晶界位错进行攀移,再次出现晶界位错分解发射位错,位错滑移穿过晶界内部,到达对面晶界处发生湮没。在这个过程中部分位错滑移与其他位错相遇会形成新的位错,同样继续进行攀移、分解、滑移进而湮没的运动。【结论】PFC模型能较好地用于研究大角度正方相的位错在施加应力作用下的运动。     

不同温度晶界位错湮没过程的晶体相场模拟

【目的】针对不同温度的晶界位错湮没过程进行研究。【方法】采用晶体相场模型模拟中等角度对称倾侧晶界结构在不同温度下的晶界位错演化湮没过程,从位错的运动形式和体系自由能的变化,分析晶界的消失过程和位错的相互作用。【结果】具有二维三角晶格原子点阵结构形成的对称倾侧晶界是由配对的位错对按直线规则排列构成,可以看成由2套位错Burgers矢量组成。晶界湮没主要有如下几方面的特征过程:首先晶界位错攀移,然后发生位错分解,晶界发射位错,位错由攀移运动转化为作滑移运动;接着滑移位错穿过晶粒内部,直到在对面晶界上湮没;剩余的晶界位错继续作攀移运动,然后又出现位错分解,晶界再次发射位错,使得位错转为作滑移运动,与其它作滑移运动的位错在晶内相遇湮没消失。【结论】在低温情况,位错是一对一对地按照一定的顺序发生湮没,而高温情况,位错湮没可以同时出现几对位错一起发生湮没。最后,所有晶界和位错全部消失。     

细观断裂力学——微观机制与宏观力学的交汇

细观断裂力学在材料组元(晶粒、纤维)尺度上研究小裂纹与微观组织交互作用、小裂纹应力应变场及其微观组织敏感的扩展规律。本文侧重剖析了细观断裂力学所采用的宏观力学与微观机制相结合的方法及途径,介绍了有关微观变形测量技术,并强调了其对发展这一边缘学科的重要作用。     

奥氏体变形及冷却速率对低碳贝氏体组织中大角晶界分布的影响

使用电子背散射衍射技术研究了低C高Mn高Nb成分设计下,非再结晶奥氏体变形及加速冷却速率对低碳贝氏体组织取向差特征和大角晶界分布的影响.结果表明,与原奥氏体晶粒内部的相变组织相比,原奥氏体晶界附近具有更高的大角晶界密度,非再结晶区奥氏体变形及快速冷却都有利于提高共格相变的驱动力、弱化变体选择以及有效增加大角晶界密度.此外,非再结晶区的大变形除了可充分压扁奥氏体晶粒和增加单位面积的奥氏体晶界密度外,还导致奥氏体晶界上细小的非共格转变铁素体晶粒生成,且这些铁素体晶粒与相邻组织表现出大取向差.     

ZrC粒子对低碳钢晶粒细化及力学性能的影响

在低碳低合金钢熔炼过程中加入平均粒径为0.5 μm,体积分数为0.8%的ZrC粒子,研究了不同轧制变形量条件下的晶粒细化行为及力学性能.轧制变形过程中在ZrC粒子周围形成高位错密度和高晶格畸变区,成为形变核心和再结晶核心,促进了高温奥氏体非自发再结晶细化奥氏体晶粒;由于奥氏体晶粒尺寸细化,奥氏体晶界面积增大,随后进行的铁素体相变的铁素体形核位置增多,从而大大细化了铁素体晶粒尺寸;轧制变形量与ZrC粒子体积分数存在一定的最佳配合才能对晶粒细化有作用.本实验中轧制变形量为62%,ZrC粒子体积分数0.8%以及轧后水冷条件下,铁素体晶粒尺寸细化到9.8 μm,屈服强度和抗拉强度明显提高,分别达到386.4 MPa和522.1 MPa;同时冲击吸收功(AKV=118.5 J)不降低且延伸率(δ5=34.5%)有所提高,说明添加ZrC粒子可促进晶粒细化.     

微细晶粒超塑变形模型

本文根据微细晶粒LC4合金的超塑变形试验结果,分析了超塑变形的微观过程,提出一个基于非固有晶界位错运动的超塑变形模型。根据此模型及其本构方程,当晶粒较大变形温度较高时,ε∝σ~2/d,且超塑变形过程由体自扩散所控制,变形的激活能约等于体自扩散激活能;当晶粒较小变形温度较低时,ε∝σ~2/d~2,且该过程由晶界自扩散所控制,变形的激活能约等于晶界自扩散激活能。在8.2～11.5μm 的晶粒尺寸和445～505℃条件下,根据此模型计算得到的 LC4超硬铝的超塑变形应变速率与实测数据符合得颇好。     

高温应变下的晶界位错结构组态演化的晶体相场模拟

【目的】研究高温下晶体的晶界位错结构组态演化。【方法】采用晶体相场(PFC)方法模拟高温条件下小角对称倾侧晶界结构,研究施加x轴方向拉应变和y轴方向压应变作用下晶体的晶界位错的迁移、增殖和湮没。【结果】在施加应变的作用下,晶界位错迁移出晶界向晶粒内部移动,在位错增殖和湮没的过程中发生位错反应。【结论】位错增殖的本质是产生了分布于晶界两侧的对称位置数量相等且Burgers矢量总和为0的多组位错对。在晶界处新增殖的位错对,其左侧和右侧位错对的Burgers矢量之和分别不为0且方向相反。在位错增殖和湮没的过程中,样品的总Burgers矢量是守恒的,总是等于初始晶界处的位错组A的Burgers矢量。     

基于相的纳晶材料的本构方程

为了对实验观察到的纳晶Cu的高强度、高塑性给予合理的解释,建立了包含2种晶粒的材料模型:最细小晶粒(2 ～ 4nm)和普通纳晶晶粒(20 ～ 100nm).最细小晶粒可以看作普通纳晶晶粒的三晶交组成部分,普通纳晶晶粒由晶界影响区和晶内相组成.接着,分别建立晶界影响区和晶内相变形的本构方程.与文献实验结果进行了对比并获得了一致的结果.详细分析了最细小晶粒对于纳晶材料位错堆积能力和塑性的影响,证明其存在是材料高强度高塑性的成因.     

超塑变形中的晶粒尺寸效应

分析了晶粒尺寸在各种机制中对总变形的影响;晶粒尺寸不同时材料变形的微观特征;晶粒尺寸对晶界滑移速率的影响。讨论了超塑变形中的区间转变;定量表达了晶粒尺寸和变形温度对区间转变应变速率的影响;进而提出临界晶粒尺寸及临界变形温度的新概念及表达式。并以Al-Zn-Mg合金对以上理论分析进行了验证。     

SrTiO3基多功能陶瓷的晶界结构与晶界能

用高分辨透射电子显微镜（ＨＲＥＭ）观察和分析了ＳｒＴｉＯ３陶瓷中洁净晶界的结构，提出了晶界处原子排布模型，用弹性位错理论推出了描述晶界能与晶粒间失配角关系的方程。晶界能由晶界核心能和伴有晶界应变场的弹性位错能组成，通过对［郾１］和［１１０］倾斜晶界晶界能的模拟，证实了该模型的可行性。     

裂纹尖端损伤区内细观变形的测量

用莫尔格子方法测量了韧性材料扩展裂纹尖端前方１ｍｍ２范围内细观变形场。由位移场计算了应变场分布。观察了裂纹尖端区域内孔洞的形成与扩展。宏观裂纹扩展与原始裂纹方向成±４５°方向前进。实验发现，在细观区域内裂纹尖端εｙｙ应变分布有奇异性，但是在静止裂纹阶段，不是ＨＲＲ奇异性，在扩展裂纹阶段也不是单ｌｏｇ奇异性。实验测量了距裂纹尖端 ０．１ｍｍ处的应变 εｙｏ，当裂纹扩展时该应变保持为常量，有希望可以代表材料韧性。     

分步退火及初始晶粒对Hastelloy C-276合金晶界特征分布影响

不同初始晶粒尺寸的 Hastelloy C-276 合金经冷轧变形后,分别采用一次退火和二次退火方法进行热处理,其晶界特征分布采用电子背散射衍射技术进行表征.结果表明,初始较大晶粒组织有利于晶界特征分布的优化,特殊晶界比例比小尺寸晶粒组织提高了近10%,达到了78.8%,同时形成了平均尺寸为200μm晶粒团簇组织.在相同晶粒尺寸条件下,采用二次退火工艺可以明显改善合金的晶界特征分布,∑3^○n晶界比例得到较大幅度的提高,并形成了良好的团簇组织.这是由于较多的非共格∑3晶界,容易产生∑9和∑27晶界,从而形成更多的三叉晶界,阻断了大角度晶界的连通性.