120 材料导报:综述篇2010年3月(上)第24卷第3期 心问题所展开的粒子强化的MMC理论研究模型有以下几 fleischerω根据此模型计算出了位错切割粒子所需的 切应力 (1)位错通过 Orowan机制绕过粒子模型 位错通过 Orowan机制绕过粒子,绕过粒子所需应力称 为 Orowan应力,其最简化的表达式为 Fm=2 Tcos (2) (1)式中:F为位错线所受的力,T为位错的线张力,b为位错柏 式中:G为基体的剪切模量,b为位错柏氏矢量,A为粒子间氏矢量,为滑移面上粒子的平均间距,电为位错脱离钉扎时 的脱钉角。根据此式求得的蠕变门槛应力值与实验结果比 当外加应力高于 Orowan应力时,位错通过 Orowan机较接近。 制绕过粒子,蠕变速率遵循E=A(r-)”的幂律方程, 由于MMC种类繁多,性质各异,不可能用统一的本构 Orowan应力即为门槛应力 方程来表示其蠕变规律,但是一般存在下列本构关系 (2)位错通过攀移越过粒子模型 hm∝A(0-④)"exp(-Q/RT) 当外加应力低于 Orowan应力时,位错不能绕过粒子,但式中:为稳态蠕变速率,A为材料常数,为蠕变门槛应 实际上MMC仍发生蠕变,这说明高温下位错可以按Oro力,Q为蠕变变形表观激活能,R为气体常数。 wan机制以外的其它机制越过粒子,这个机制就是位错通过2蠕变试验研究 攀移越过粒子 关于位错攀移越过粒子,已提出了2种模型,即局部攀 蠕变理论模型是建立在一定的假设条件上的,各种模型 移和总体攀移1 有一定的合理性,也有一定的缺陷性,或多或少能说明某些 局部攀移就是靠近粒子的位错段攀移越过粒子,而其余类的MMC的蠕变行为,在早期的蠕变研究中起到了重要作 位错段仍在原滑移面上滑移。位错攀移的阻力源于位错线用,即使现在对蠕变试验也有很大的指导作用。现在蠕变试 长度的增加。根据这一模型,如果位错运动过程中外加应力验装置越来越先进,试验水平也越来越高,所得出的试验结 所做的功小于位错线长度增加引起的线能量增加,攀移就不果更能说明MMC的蠕变本质。但是蠕变试验的最大缺点 能继续进行,蠕变也就停止,这就是门槛应力的来源。这一就是试验时间比较长试验成本比较高。现在利用得较多的 模型的理论研究导出的门槛应力砸=0.4 蠕变试验方法与特点大致如下。 局部攀移与实际材料蠕变中观察到的值基本接近,但2.1三点弯曲法蠕变试验 是,局部攀移模型中的位错在粒子表面处有尖锐弯曲,这显 利用动态热分析仪器进行三点弯曲法测定复合材料在 然不是合理的假设因为位错线在张力的作用下总是要自身定载荷水平和温度水平下试样的弯曲变形量,将弯曲变形 拉直。考虑到这一点,提出了较为合理的总体攀移模型。 量换算成形变量进行蠕变曲线测定 总体攀移就是粒子处位错攀移带动滑移面的位错一起 南昌大学的胡强利用如图1所示三点弯曲法测定 攀移,此时位错线长度的增加与局部攀移相比小得多,因此SiC/AZ6l镁基复合材料的蠕变性能。 攀移阻力也小得多。对这一模型的理论分析导出的蠕变门 槛应力要比实验值小得多(五≈0.15) 根据局部攀移模型与总体攀移模型建立的蠕变理论多 数不能导出与实验结果一致的蠕变本构方程,特别是蠕变门 槛应力值与实验结果多数也不能相符 (3)位错切割粒子模型 在适当的条件下基体位错可以穿过粒子滑移,也就是位 错切割粒子。位错切割粒子的过程是非热激活的,蠕变门槛 应力值实际上等于第二相粒子引起的临界切应力增量,也就 是位错切割粒子所需的切应力为蠕变门槛应力。在处理位 错与第二相粒子的交互作用时,将粒子分成2种类型,即点 状障碍和漫散障碍。当第二相粒子的尺寸很小、粒子间距很 大时,可将第二相粒子看成点状障碍。点状障碍模型假定 图1三点弯曲法模式 在位错与粒子直接接触时才发生交互作用。应力场是漫散 Fig. 1 Three point bending mode lI 的,因此位错与第二相粒子应力场的交互作用也有一定的范 图2为复合材料与基体的蠕变速率随时间变化的曲线 围,处理这类问题时可把粒子看成有一定尺寸和交互作用能(200℃40MPa)。从图2中可以发现,在相同条件下 的漫散障碍。一般来说,一种粒子既有点状障碍特性也有漫SC/Az61镁基复合材料相对于Az61基体合金来说具有较 散障碍特性。 短的初始蠕变阶段、较低的稳态蠕变速率和较少总形变量 201994-2010CHinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net心问题所展开的粒子强化的 MMC 理论研究模型有以下几 种。 (1) 位错通过 Orowan 机制绕过粒子模型 位错通过 Orowan 机制绕过粒子 ,绕过粒子所需应力称 为 Orowan 应力 ,其最简化的表达式[ 7 ]为 : τ0 = Gb λ (1) 式中 : G 为基体的剪切模量 , b 为位错柏氏矢量 ,λ为粒子间 距。 当外加应力高于 Orowan 应力时 ,位错通过 Orowan 机 制绕过粒子 ,蠕变速率遵循εÛ= A (τ- τ0 ) n 的幂律方程 , Orowan 应力即为门槛应力。 (2) 位错通过攀移越过粒子模型 当外加应力低于 Orowan 应力时 ,位错不能绕过粒子 ,但 实际上 MMC 仍发生蠕变 ,这说明高温下位错可以按 Oro2 wan 机制以外的其它机制越过粒子 ,这个机制就是位错通过 攀移越过粒子。 关于位错攀移越过粒子 ,已提出了 2 种模型 ,即局部攀 移[ 8 ]和总体攀移[ 9 ] 。 局部攀移就是靠近粒子的位错段攀移越过粒子 ,而其余 位错段仍在原滑移面上滑移。位错攀移的阻力源于位错线 长度的增加。根据这一模型 ,如果位错运动过程中外加应力 所做的功小于位错线长度增加引起的线能量增加 ,攀移就不 能继续进行 ,蠕变也就停止 ,这就是门槛应力的来源。这一 模型的理论研究导出的门槛应力τth = 0. 4τ0 。 局部攀移与实际材料蠕变中观察到的值基本接近 ,但 是 ,局部攀移模型中的位错在粒子表面处有尖锐弯曲 ,这显 然不是合理的假设 ,因为位错线在张力的作用下总是要自身 拉直。考虑到这一点 ,提出了较为合理的总体攀移模型。 总体攀移就是粒子处位错攀移带动滑移面的位错一起 攀移 ,此时位错线长度的增加与局部攀移相比小得多 ,因此 攀移阻力也小得多。对这一模型的理论分析导出的蠕变门 槛应力要比实验值小得多(τth≈0. 1τ0 ) 。 根据局部攀移模型与总体攀移模型建立的蠕变理论多 数不能导出与实验结果一致的蠕变本构方程 ,特别是蠕变门 槛应力值与实验结果多数也不能相符。 (3) 位错切割粒子模型 在适当的条件下基体位错可以穿过粒子滑移 ,也就是位 错切割粒子。位错切割粒子的过程是非热激活的 ,蠕变门槛 应力值实际上等于第二相粒子引起的临界切应力增量 ,也就 是位错切割粒子所需的切应力为蠕变门槛应力。在处理位 错与第二相粒子的交互作用时 ,将粒子分成 2 种类型 ,即点 状障碍和漫散障碍。当第二相粒子的尺寸很小、粒子间距很 大时 ,可将第二相粒子看成点状障碍。点状障碍模型假定 , 在位错与粒子直接接触时才发生交互作用。应力场是漫散 的 ,因此位错与第二相粒子应力场的交互作用也有一定的范 围 ,处理这类问题时可把粒子看成有一定尺寸和交互作用能 的漫散障碍。一般来说 ,一种粒子既有点状障碍特性也有漫 散障碍特性。 Fleischer [ 10 ]根据此模型计算出了位错切割粒子所需的 切应力 : τ= ( Fm 2 T ) 3/ 2 ( 2 T lb ) (2) Fm = 2 Tcos( φc 2 ) (3) 式中 : Fm 为位错线所受的力 , T 为位错的线张力 , b 为位错柏 氏矢量 ,l 为滑移面上粒子的平均间距 ,φc 为位错脱离钉扎时 的脱钉角。根据此式求得的蠕变门槛应力值与实验结果比 较接近。 由于 MMC 种类繁多 ,性质各异 ,不可能用统一的本构 方程来表示其蠕变规律 ,但是一般存在下列本构关系 : εÛm∝A (σ- σ0 ) n exp ( - Q/ R T) (4) 式中 :εÛm 为稳态蠕变速率 , A 为材料常数 ,σ0 为蠕变门槛应 力 ,Q 为蠕变变形表观激活能 , R 为气体常数。 2 蠕变试验研究 蠕变理论模型是建立在一定的假设条件上的 ,各种模型 有一定的合理性 ,也有一定的缺陷性 ,或多或少能说明某些 类的 MMC 的蠕变行为 ,在早期的蠕变研究中起到了重要作 用 ,即使现在对蠕变试验也有很大的指导作用。现在蠕变试 验装置越来越先进 ,试验水平也越来越高 ,所得出的试验结 果更能说明 MMC 的蠕变本质。但是蠕变试验的最大缺点 就是试验时间比较长、试验成本比较高。现在利用得较多的 蠕变试验方法与特点大致如下。 2. 1 三点弯曲法蠕变试验 利用动态热分析仪器进行三点弯曲法测定复合材料在 一定载荷水平和温度水平下试样的弯曲变形量 ,将弯曲变形 量换算成形变量进行蠕变曲线测定。 南昌大学的胡强[ 11 ] 利用如图 1 所示三点弯曲法测定 SiCp / AZ61 镁基复合材料的蠕变性能。 图 1 三点弯曲法模式[ 11] Fig. 1 Three2point bending mode [ 11] 图 2 为复合材料与基体的蠕变速率随时间变化的曲线 (200 ℃、40MPa) [ 11 ] 。从图 2 中可以发现 ,在相同条件下 , SiCp / AZ61 镁基复合材料相对于 AZ61 基体合金来说具有较 短的初始蠕变阶段、较低的稳态蠕变速率和较少总形变量 , ·120 · 材料导报 :综述篇 2010 年 3 月(上) 第 24 卷第 3 期