稀有金属 2007,(04),451-456 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2007.04.006
纳米铝合金的断裂与塑性变形
孙泽明 邵贝羚 尤振平 田晓峰 王福生 张金波
北京有色金属研究总院国家有色金属及电子材料分析测试中心,北京有色金属研究总院国家有色金属及电子材料分析测试中心,北京有色金属研究总院国家有色金属及电子材料分析测试中心,北京有色金属研究总院国家有色金属及电子材料分析测试中心,北京有色金属研究总院国家有色金属及电子材料分析测试中心,北京有色金属研究总院国家有色金属及电子材料分析测试中心,北京有色金属研究总院国家有色金属及电子材料分析测试中心 北京100088,北京100088,北京100088,北京100088,北京100088,北京100088,北京100088
摘 要：
在结构非均匀的多晶材料中, 局域化塑性变形不仅在微观层次而且也在介观层次上具有波动特征, 并以塑性波形态进行扩展, 这一现象与材料亚韧性断裂之间有相互关系。纳米晶、亚微米微晶2009铝合金试样在经受拉伸应力实验时, 试样上各点的应变量在三维方向上均呈波动性变化, 且随着外加载荷的增加而波动的幅度增加。塑性变形的波动的传播是在加载过程中, 试样内的剪切稳定性丧失后, 由于晶粒群转动, 在试样上沿最大剪应力方向形成了吕得尔斯条带而逐步形成的。主剪切带形成了一个塑性变形的波峰, 接下去侧生条带和次生带形成波峰和波低谷区, 周而复始, 形成了塑性变形的波动的传播。应力应变峰值的形成与材料缺陷所造成应力集中有关。试样于应力集中点起始迅速开裂。宏观断裂强度仅体现了材质缺陷弥散程度的统计平均数。
关键词：
介观力学 ;2009铝合金 ;塑性 ;形变波动性 ;纳米晶 ;
中图分类号： TB383.1
收稿日期： 2006-10-26
基金： 国家自然科学基金资助项目 (50471084);
Fracture and Plastic Deformation of Nanometer Crystalline Aluminium Alloy
Abstract：
The wave propagation feature of local area plastic deformation was observed not only at microscopic level, but also at mesoscopic level for the non-uniform poly-crystal metals.This phenomenon was related with the second tenacity and stiffness in material.When the specimen of nanometre crystalline sub-micro crystalline 2009 aluminium alloy was under tension, deformations of different local areas in the specimen were non-uniform and different from the macro-deformation of specimen in the tension test.Strains of material were characterized by wave propagations, plastic strains propagation in three dimensions, and the amplitude of the wave were directly in proportion to the load that acted on the specimen.During the loading process, the wave propagation of plastic deformation was caused by crystalline grains turning directions to take shape after the shear stability in the specimen was lost.Along the orientation of maximum shearing stress a Lüders band was formed at the initial stage of plastic deformation and spread forward with the wave propagation gradually.A crest factor was formed by the main shear band, and then the wave low district formed the side band and second tenacity.The formation of peak value stress was related to the concentration of stress caused by material flaw.The specimen fractured rapidly at the stress concentrated point.The fracture intensity of the sample at macroscopic level merely displayed the statistical mean value of material quality flaw dissemination degree.
Keyword：
meso-mechanics;2009 aluminum alloy;plastic property;strain wave propagation property;nanometer crystalline;
Received： 2006-10-26
材料介观力学 (结构非均介质的物理力学) 是近十年发展起来的新学科 , 它把均匀介质力学、 位错及旋转位移理论为基础的晶体强度与塑性的物理学有机地结合起来, 成为沟通两者的渠道。 这种互相联系和结合的基础是1982年形成的固体变形的结构层次概念以及涡流力学场理论。 根据这一概念, 塑性变形的最基础行为不是剪切, 而是晶粒群的平移-转动涡流。 这就决定将材料的初始结构层次 (包括晶粒、 晶界、 晶群以及试样整体) 全部纳入变形范畴, 并在塑性流变的进程中形成不同尺度层次的介观动态结构
[1 ]
。
在观察材料塑性变形行为时, 所得实验结果将受到观察视野局限性, 如用宏观手段观察, 只能得到整体宏观效应, 观察不到晶粒群体的介观变化。 而微观观察手段受到视野的限制, 观察范围较局限。 关于多晶材料波动特性的研究, 许多研究者虽然给予了很大的重视, 但局限于研究手段, 只能进行物理实验观察以研究其波动性行为, 如近年来, 各国研究者已相继开展了多晶体材料塑性波动性行为的研究, 如Peter等
[2 ]
采用积分方程的方法分析了材料中的弹、 塑波动问题, Zuev等
[3 ]
研究了铜合金中自激波的稳定性和塑性变形的局域性, Brazovskii等
[4 ]
探讨了弹、 塑性共存的波密度特性, 继而Little等
[5 ]
, Armero等
[6 ]
分别研讨了标准弹塑性材料的单轴波传动规律, 并用有限元法分析了材料局部应变和断裂的波动行为。 研究表明了弹塑性材料塑性应变传播的波动特性, 在低于二分之一弹性极限、 应力保存于试样时, 试样中产生应力波, 来回在试样中回荡, 当应力高于二分之一屈服强度时, 在卡头端部首先发生塑性变形 。 但是Panin等
[7 ,8 ]
用介观力学的观察研究手段 (即在介观尺度范围内) 发现, 在带有结构的非均匀材料中, 在介观层次上的局域性塑性变形可以像非线性塑性波的传播一样地扩展开来, 这种扩展在形式上受到材料微结构如缺陷、 散裂、 构造裂隙和晶界滑移等的影响, 使得其波长、 峰值、 谷值表现出较大幅度的差异。
纳米及超细晶粒、 亚微米微晶2009铝合金塑性变形行为是研究者关心的课题, 这种合金在介观研究的尺度上显示出波动性和非均匀性的介观亚结构特性。 其塑性形变时试样上各点的应变量是不相同的, 并且在空间三方向上呈波动性变化。 本文对纳米晶、 亚微米微晶2009铝合金材料的塑性变形流动行为的波动特性进行讨论, 并研究波动方向和晶粒交界、 缺陷、 孔洞等缺陷聚集的部位等介观亚结构对波动特性的影响。
1 实 验
实验材料为纳米晶、 亚微米微晶2009铝合金粉末热挤压成型固体棒材, 致密度为99%; 试样形式为板状拉伸试样; 试验拉伸应变速率为10-2 s-1 ; 于试样加载过程中连续实时拍摄拉伸过程试样表面介观形貌; 所用试验设备为JL-110型材料介观力学测试装置 (北京有色金属研究总院研制) , 对全试样各个部位进行实时的全场应变量分析, 包括X 与Y 两个方向应变分析; 各等分点的应力分布、 应变分布数据; 采用JEM-2000FX型分析透射电镜分析微观结构; 用FEI sirlon40NC场发射扫描电镜进行断口分析。
2 结果与讨论
图1为纳米晶、 亚微米微晶2009铝合金材料的TEM图片, 该图片显示出纳米晶和亚微米晶粒分布于晶界、 晶内, 具有非均匀材质的特点。
图2为纳米晶、 亚微米微晶2009铝合金材料弹性变形阶段的全场Y方向应变分布ε y 行为, 可以看出在线性变形阶段试样各个部位的应变分布是不均匀的。 但应变有一定规律性的波动传递 (实验阶段31) , 其应变值分布于0.8%～1.2%之间。 由图3可以看出当应力应变曲线出现第一个峰值时, 即弹性变形结束塑性形变开始时, 试样出现了第一条宏观滑移条带, (实验阶段44) 这一条带的出现说明此处的最大剪应力达到临界值, 促使大量的滑移系开动, 在这一区域内产生大量的滑移形成45°条带状, 随之而发生的是试样内储存的剪切应变能释放, 应力应变曲线表现出卸载塌陷段。 继而滑移条带逐渐开动屈服区继续增大面积, 逐步向全试样扩展。
图1 纳米晶、 亚微米微晶2009铝合金材料的TEM照片
Fig.1 TEM photograph of sample for nanometer crystalline substance, sub-micron 2009 aluminum alloy
图2 纳米晶、 亚微米微晶2009铝合金材料某一弹性变形阶段的全场Y方向应变εY分布 (虚线处)
Fig.2 ε Y strains distribution of sample for nanometer crystalline substance, sub-micron 2009 aluminum alloy at elastic deformation stage (spots line part)
经过一个阶段的剪应变的扩大并伴随着应力释放后, 从图4的应力曲线的应变发展情况可以看出随着外加载荷继续升高, 试样变形逐渐以剪切形变的形式扩大向全试样扩展。 此时在试样的下半部分出现最大值ε Y
而随着应力应变的增加高应变区在试样内部交错变化见图5, 高应变区又发生于试样的上半部分 (实验阶段113) 。 最大应变量为10%。 可以看出这种流动的塑性应变现象是与材料塑性变形的机制有关。
在最终断裂发生前, 试样上最大应变区位于将要发生断裂的中心附近部位 (图6) , 试样最终断裂发生于该部位 (实验阶段164) 。 其最大应变量达到18.9%。 图7中给出了试样各个等分点上, 在不同变形阶段的应变数值, 从各点的应变变化曲线可以明显地看到试样各个部位的应变值均不相同, 随着外加载荷的增加而波动的幅度增加, 直至达到断裂临界值时, 各点的应变仍存在差异。
图3 纳米晶、 亚微米微晶2009铝合金塑性应变起始时的全场Y方向应变εY分布 (虚线处)
Fig.3 Strains distribution ε Y
图4 随塑性变形增大, εY最大应变区转移在试样的下半部分 (实验阶段96)
Fig.4 Largest deformation district transferred to second semi section of specimen with plastic deformation increasing (test stage 96)
图5 随塑性变形增大, εY高应变区转移至试样的上半部分 (实验阶段113)
Fig.5 Largest deformation district transferred semi section on specimen with plastic deformation increasing (test stage 113)
图6 最终断裂于试样中间部位发生 (实验阶段164)
Fig.6 Finally cracking at middle place of sample (test stage 164)
图7 试样各个等份点上不同变形阶段的εY应变数值
Fig.7 Strain values ε Y
图8 (a～c) 中的一组曲线分别描述了不同加载阶段, 沿试样长度方向各点的应变值ε X ε Y ε Z
[9 ]
, 这些实验结果表明了纳米晶、 亚微米微晶2009铝合金材料的塑性变形的流动行为的波动特性和非均匀特性。
图8 不同加载阶段, 沿试样长度方向的应变值εX (a) , εY (b) 和εZ (c) 的变化曲线
Fig.8 ε X ε Y ε Z
图9 扫描电镜观察试样断裂断口
Fig.9 Fracture photograph of specimen by SEM
图9为场发射扫描电镜得到的试样断裂断口图片, 断口显微照片中可以看到纳米晶、 亚微米微晶2009铝合金中有较大的孔洞缺陷。 在孔洞缺陷周围包围着韧窝和微晶孔穴, 韧窝带显示了材料的较丰富的滑移系和延展特性。 材料的延展特性和较丰富的滑移系造成了塑性应变, 微缺陷则是产生应力集中的焦点。
从固体材料的波动机制上理解材料的塑性变形波的形成
[1 ]
, 当试样在加载过程中, 应力达到足够大时, 在试样内的剪切稳定性丧失后, 沿最大剪应力方向的吕得尔斯条带, 在这一条带中晶粒群体在相互关联的、 互相制约的协调转动, 由于晶粒之间有着较紧密的连接, 当首个晶粒转动后, 由于应力作用将牵动邻近的晶粒的协调转动, 形成了塑性变形的变化区。 试验观察到在主剪切带形成了一个塑性变形的波峰, 接下去侧生条带和次生带形成波峰和波低谷区, 周而复始, 形成了塑性变形波的波动的传播。
从上述试样塑性变形的波动性可以看出, 在应变峰值区域在初始塑变阶段就达到较高的数值, 其相应的应力水平较平均应力高出许多, 试样中塑性变形的波动幅度是随着加载增加, 应变幅度增大。 在峰值部位应变达到很高的程度 (图6) , 尤其在缺陷部位, 将引起较大的应力集中, 应力有急速上升的趋势, 应力畸变点产生
[10 ]
, 从而导致试样于该点起始迅速开裂。 此时试验得到宏观断裂强度值仅仅是试样的平均断裂强度, 其数值比畸变点的峰值强度低许多。 宏观断裂强度仅是体现材质缺陷弥散程度的统计平均数。 通过对试样全场塑性变形的波动特性观察, 可进一步了解材料在介观尺度上的特质, 进而对改善材料质量提出建议。
材料塑性变形的非均匀波动特性是在材料介观尺度上材料的变形行为, 对材料塑性变形的非均匀波动特性的研究, 可更深入地了解材料的变形特性。
3 结 论
实验结果表明了纳米晶、 亚微米微晶2009铝合金材料的塑性变形流动行为的波动特性和非均匀特性的介观亚结构。 纳米晶、 亚微米微晶2009铝合金的塑性形变, 在试样上各点的应变量是不相同的, 并且呈波动性变化, 其波动幅度随着外加载荷的增加而增加, 但频率保持不变。 实验结果表明纳米2009铝合金在拉伸过程中, 其塑性变形传播, 在三维方向都具有波动特性。 这种特性与滑移带的生长和形成有关, 峰值与材料缺陷造成应力集中有关。
首先在试样的主剪切带形成了一个塑性变形的波峰, 接下去侧生条带和次生带形成波峰和波低谷区, 周而复始, 形成了塑性变形波的波动的传播。
宏观断裂强度值仅是试样的平均断裂强度, 其数值比畸变点的峰值强度低许多。 宏观断裂强度仅是体现材质缺陷弥散程度的统计平均数。 通过对试样全场塑性变形的波动特性观察, 可进一步了解材料在介观尺度上的变形特点, 进而对材料的形变与断裂有更深的理解。
参考文献
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