加载速度对位错的影响

来源：   日期：2014-10-13 14:14:53   浏览次数：

当外载的条件发生变化时，如加载速度增大或温度发生变化，材料的性能就和以前有了很大的不同。如低温时，强度降低、材料变脆;原来在正常情况下不会出现的情况此时会突然发生，给生产和安全带来很大的安全隐患。以前就发生过很多这样的例子。随着加载速度的增大，材料的断裂韧性不发生大的变化，只是趋于降低，但幅度很小。当超过一定的速度后，材料的断裂韧性将急剧升高，材料趋于塑性。无论是塑性变形还是发生损伤破坏，在微观上都是由于位错的运动造成的。现在我们分析一下加载速度对位错运动的影响。
位错是作用在材料上的力使得材料内原子发生相对运动，而使原来排列整齐的原子点阵发生偏移形成的一种线缺陷。当外力继续作用促使位错运动时将使晶体沿滑移面相对移动的区域不断扩大。当位错移出晶体时便给出一个滑移量，造成材料的永久变形，塑性变形就是大量位错运动的结果。这是在普通载荷作用下的情况，高速加载时的位错运动就会发生一些变化。
封切机高速载荷作用下位错的形成密度比普通情况要高而且分布更加均匀，上面已经提到了形成密度增加的原因主要是加载时位错形成的速率很高，而动态回复的速率相对较低，另外封切机高速载荷作用时应力偏量很高导致位错源的数日增加。除此之外载荷作用的时间和强度也对位错的形成有很大的影响。随着压力的提高，位错的密度也会随之增大。位错的密度与载荷和作用力的平方根成正比，但是当载荷压力达到100 GPa时，由于载荷作用产生的高温在短时间内无法传递出去所以关系式将不再适用。
随着载荷速度的提高，位错变形的区域变小，位错分支减少。形成这种情况的原因主要是，载荷加载速度比较快，此时生成的位错增多，位错移动加速、位错移动主要集中在载荷作用的方向。增大加载速度，位错速度基本上是呈线性增加。由于作用时间比较短暂，位错向其他方向的发射减少，发生移动的位错宽度减少，材料的塑性变形区域随之减少。
在进行高速包装梢密封切机剪切时，封切机剪切速度比较高。由于夹紧力的作用，包装内各部分受力均匀，只在剪刃尖端附近材料有严重应力集中现象，因此产生的位错滑移只局限在剪刃附近很小的范围内。随着位错滑动，这时晶界就成为了位错进一步滑移的壁垒，受阻塞的位错大量堆积，当堆积位错数量达到一定数值时，应力的集中就会使材料形成裂纹。高速封切机剪切时的封切机剪切速度比较高，位错的移动速度增大，裂尖的位错主要是刃型位错，在短时间内来不及向周围扩散，裂纹就沿着剪刃运动方向直线扩展，保证断面比较平整。另外，材料的塑性变形也是由于位错的运动形成的，封切机剪切时，裂尖的位错向四周扩散减少，裂尖的塑性变形区域也相应减少。所以，包装的塑性变形区域也只是在剪刃附近，而且范围较小。这样，包装封切机剪切时的塑性变形减少，材料趋于脆性断裂。封切机剪切断面质量相应提高。
从以上的分析，我们可以得出下面的结论:包装封切机剪切时，封切机剪切破坏主要是因为剪刃尖端附件材料的应力强度因子K11大于材料的临界应力强度因子Km，导致形成的裂纹进一步扩展直至最后断裂分离。在做高速封切机剪切分析时，材料的临界应力强度因子Kn}就不可以用低速时的应力强度因子的计算方法进行计算，因为材料的临界应力强度因子即断裂韧度受速度影响而发生变化，高速时材料的断裂韧度明显低于低速时的断裂韧度，在低速时材料的断裂韧度受速度影响不大，当高于某一速度时，断裂韧度随速度的提高而急剧升高，即存在最低断裂韧度，相对应的也存在最低断裂韧度时的速度。在这一速度进行包装的高速封切机剪切时，材料的断裂韧度最低，材料的断裂基本为全脆性断裂，此时的断面质量最好。在微观方面，在封切机高速载荷作用下的材料内晶格滑移生成的位错数量增大，而且密度更加均匀。生成的位错在载荷作用下滑移，当滑移的位错遇到晶界阻碍时发生位错堆积现象，造成应力集中。当应力集中达到一定数值时，就会在晶界处发生穿晶断裂。位错的滑移速度随着加载速度的提高而增大，形成的位错在短时间内向其他方向的扩散减少。因此，裂尖的塑性区变小，材料趋于脆性断裂，断面质量较好。