高速加载下位错形成

来源：   日期：2014-10-13 14:17:17   浏览次数：

封切机高速载荷下材料内位错形成的机制完全不同于低速载荷作用，封切机高速载荷形成的冲击波在晶体中传播时，会产生大量的位错组织。而且，这时产生的位错分布比较均匀，一般都是呈现周期性的分层排列。在过去的研究里，学者们也提出了一些十分有价值的模型来分析封切机高速载荷作用下形成的位错组织特征，主要有Smith模型, Homboge模型和Meyers模型等几种。
Smith最先利用变形理论描述了动态冲击载荷形成的冲击波作用在材料上时对动态位错组织的影响。他提出了一种分界面的概念，该分界面是以位错列的形式存在的，分界面可以补偿冲击波阵面前后晶体点阵参数的差异。Smith界面和相变时两相分界面的意义相差不多。不存在位错分界面，此时切变应力不能保持平衡; 存在位错分界面的Smith模型，这时冲击波阵面上形成的位错网可以松弛冲击波阵面上的应力。
Smith模型要求位错界面应该随着冲击波阵面一起运动。因此位错运动的速度必须超过声速，这与位错运动速度是以声速为极限相违背的。要使位错的运动速度达到声速，应力应该无穷大。因此，要求位错以超声速运动是Smith模型的最大缺陷。Hornbogen对Smith模型进行了修改，他发现铁在动态载荷作用下，在(111)晶面方向可以看到螺型位错。他提出，冲击波刚进人到晶体中就形成了位错缠结，位错的刃型分量和被压缩部分一起以冲击波阵面速度运动，而位错的螺型分量部分不动，随着位错刃型分量的运动，螺型位错长度增加。Homhogen模型仅建立在对一种金属—铁的行为的观察上。而各种金属和合金的亚结构之间的区别很大，Homhogen模型并不适用。另外Homhogen模型和Smith模型一样要求刃型位错以超声速运动。
由于Smith模型和Homhogen模型在速度和其他方面的局限性，Mereys提出了一个新的位错形成模型，该模型具有以下特点:
(1)单轴变形时，在切变应力的作用下，位错在冲击波阵面试域(或附近区域)均匀产生，产生的位错导致切变应力的松弛;(2)产生的位错仅需要以亚声速移动较小的距离;
(3)随着冲击波的传播在材料中产生新的位错界面，原来产生的位错留在晶体中。
这样Mereys模型相对于Smith模型和Hombogen模型消除T在位错运动速度上的限制，即位错不必以超声速进行，另外Mereys还可以估计动态加载后位错的密度。图2一14所示为冲击波在材料中传播时的一个简单的示意图。对于立方金属而言，在冲击波进人材料的瞬间很高的偏应力使起初的立方点阵变成单斜点阵。在应力达到某个临界值时位错就可以均匀产生。
当切变应力达到临界切变应力值Th时在合适的方向上位错就可以均匀产生。
冲击波阵面相应于起始位错界面的冲击波。分界面上的位错密度可以根据冲击波阵面前后两个点阵的单位体积尺寸计算出来。表示冲击波阵面向前运动，重新产生不可补偿的偏应力，导致产生新的位错界面。整个过程如此重复进行。Mereys模型可以很好地解释许多实验结果。如实验表明，动态加载时卸载波对位错组织的形成起次要作用，即卸载波进人已有很高位错密度的材料中不会再导致位错大量产生。这和模型是相符的，因为经过预变形的材料遭到动态冲击时，切变应力可以依靠已存在的位错得到松弛，此时在波阵面中就不会重新产生大量位错。同样可以推广到多次动态加载的情况。在这种情况下，偏应力可以依靠首次动态加载时产生的位错的运动得到松弛，重复加载不会导致位错进一步大量产生。Mereys模型还可以预测到动态加载时形成的相邻位错列不同的柏氏矢量总和也等于零，是比较理想的位错模型。
在任何情况下， 封切机动态加载时形成的位错，比普通加载条件下形成的位错密度要高，分布均匀。形成这种情况的主要原因首先是动态加载时载荷的作用时间短，位错形成的速率高，而动态回复时的速率相对低很多。另外，在动态加载时应力偏量很高，导致位错源数目增多，并且每个位错源能产生的位错数目也增加。位错分布均匀是因为冲击压力下降使变形能反向进行造成的，还有一个原因就是位错的平均自由程减少。