高熵合金中的塑性失稳:锯齿流变行为及其微观机制

金属结构材料在特定服役环境(例如高温、低温、蠕变、疲劳以及高速冲击等)下出现塑性不稳定的现象,称为锯齿流变。锯齿流变行为主要表现为应力-应变曲线上的连续快速上升或下降的波动,也被称为波特文-勒夏特利埃效应(Portevin‒Le Chatelier,PLC)效应。在非晶合金中,锯齿流变行为归因于剪切带的萌生和传播;而在晶体材料中(例如低碳钢、不锈钢、TWIP/TRIP钢、AlMg合金等金属材料)锯齿流变行为是由于位错与溶质原子之间相互作用导致的。在多组元高熵合金中,多种组元效应使溶质与溶剂之间的界限变得不再清晰,具体是哪些元素与高熵合金内部位错的相互作用依然不是很清楚。本文介绍了多组元高熵合金中的锯齿流变行为,揭示了在高熵合金变形过程中主导锯齿流变的机制。

Al—Li单晶体锯齿流变的产生机制

不同时效状态下Al—Li单晶体应变速率敏感性的变化不同．单个锯齿的应力幅度防应变的增加不规则变化，和锯齿的经历时间无关；锯齿的应力幅度和经历时间在峰值时效状态主要分布在较小值的范围内．这些变化可以用切割δ＇粒子产生锯齿流变解释．

块体非晶合金绝热升温与锯齿流变机制

对Zr41.2Ti13.8Ni10Cu12.5Be22.5块体非晶合金压缩条件下的力学行为进行了研究,利用应变能理论,以面积比(As/A)为参量,计算出了流变过程中剪切带形成时变形区域的温度,变化规律结果表明:随着变形的增大,弹性应变能增加,形成剪切带时的温度逐渐升高,当剪切带面积比As/A值小于1/4时,升高的温度将达到或超过玻璃转变温度,导致变形区域粘度降低,从而促进剪切带继续扩展并导致最终断裂.此局部温度变化规律揭示了块体非晶合金锯齿流变直至断裂的机制.

Al—Li单晶体中锯齿流变行为的影响因素

Al－Li单晶体中锯齿流变的产生与δ'，粒子被切割的过程有关锯齿产生的临界应变随温度。

Al－Li单晶体锯齿流变的形态特征

研究了Ａｌ－Ｌｉ单晶体在不同温度和应变速率范围内产生的锯齿流变及其形态特征．开始产生锯齿流变的临界应变随着温度的升高（或应变速率的降低）先减小再增加．锯齿频率和应力变化幅度受温度和应变速率的影响，但不随应变单调变化．

6013合金拉伸性能与锯齿流变行为

测定了6013合金的室温拉伸性能；通过拉伸实验着重研究了6013合金于180℃4h时效后在50℃，80℃，120℃，160℃下拉伸锯齿特性，拉伸温度对6013合金的锯齿幅度、锯齿周期、临界伸长率等影响；并就6013合金的锯齿流变特性与机制进行了初步的研究。研究结果表明：在50℃～160℃温度范围。6013合金的在拉伸过程中有明显的锯齿流变现象产生；随着拉伸温度的升高，锯齿应力幅度降低，临界伸长率略有增加，而锯齿周期明显降低；分析表明：在不同的温度下拉伸，晶体内溶质原子的扩散速度不同，将影响到锯齿的类型和有关的锯齿幅度、锯齿周期、临界伸长率等参数。Mg原子与位错的交互作用应该是形成锯齿流变的主要原因。论文根据Schwarz—Funk公式估计了6013合金中Mg原子的扩散激活能约为：1．94kJ／mol。

Al－Li单晶体锯齿流变的应力幅度

分析了Ａｌ－Ｌｉ二元单晶体锯齿流变的应力幅度与被钉扎位错的时效时间、应变量和温度的关系，结果表明：其应力幅度的变化趋势符合动态应变时效的理论模型，并且与位错时效程度的饱和、δ’粒子被切割和锯齿流变（ＰＬＣ）带的运动有关。

非晶合金中锯齿流变动力学的研究

非晶合金在外力场的作用下会出现间接性的锯齿流,锯齿具有空间和时间的无序分布性,能够反映塑性变形过程中剪切带的演化过程。借助于混沌理论、自组织临界理论、统计分析、分形和平均场理论等数学方法进行了锯齿动力学研究。发现非晶合金的塑性流变行为与材料的本征结构、试样尺寸、加载试验机的刚度、温度和应变速率等密切相关,揭示了非晶合金的塑性变形过程中剪切带滑移不稳定性的演化特点。试样尺寸小、低温或高应变速率下加载的韧性非晶试样的塑性流变动力学呈现类自组织临界状态,锯齿的幅值分布具有无标度性特点,剪切带之间的交互作用强,剪切带过程相对稳定。低温下大的分形维数说明剪切带分叉速率快,触发了剪切带之间的交互作用。简单的平均场理论证实了非晶合金的塑性可受应变速率调控。这些结论为进一步探索非晶合金的塑性提供了新的思路。

Al－Li单晶体锯齿流变的动力学特征

研究了Ａｌ－Ｌｉ单晶体锯齿流变的动力学特征，结果表明：锯齿的频率和幅度与时效状态、变形温度和加载的晶体学位向相关，并与δ′粒子被切割和固溶Ｌｉ原子对位错的钉扎有关。

Ti_(35.37)Cu_(45.11)Ni_(8.88)Zr_(10.64)金属玻璃锯齿流变应力降对剪切带扩展的影响

采用万能实验机对Ti35.37Cu45.11Ni8.88Zr10.64大块金属玻璃进行室温压缩实验,研究了锯齿流变应力降对剪切带扩展的影响。实验结果表明:高塑性的大块金属玻璃压缩后表面呈现密集剪切带,且锯齿流变呈现非周期性。根据锯齿流变的变化,对剪切带的形成与扩展分4个区域进行研究,结果表明:区域Ⅰ为大量的剪切带萌生并快速长大的过程;区域Ⅱ为剪切带的稳定扩展,并且扩展的幅度大致相等;区域Ⅲ为剪切带的相互交割与滑移;区域IV为大部分剪切带扩展到整个样品,仅有少量剪切带进行缓慢扩展。

304奥氏体不锈钢高温拉伸变形时的锯齿流变行为

对304奥氏体不锈钢进行拉伸试验,研究了其在高温拉伸变形过程中的锯齿流变行为。结果表明:当应变速率在2×10-4～2×10-3s-1范围内,试验钢发生动态应变时效的温度为773～973K;出现了A、A+B和E三种锯齿波和负的应变速率敏感系数;锯齿形成的有效激活能为212.8kJ.mol-1;铬和锰等置换型溶质原子与运动位错的交互作用使试验钢出现动态应变时效,导致锯齿流变行为的产生。

11Cr3W3Co钢在不同温度下拉伸时的锯齿流变行为

在应变速率为5×10^(-5)～2×10^(-4)s^(-1)范围内以及不同温度(25～700℃)下对标准热处理态11Cr3W3Co钢进行拉伸试验,分析了不同温度下出现的锯齿流变行为。结果表明:在285～325℃区间出现了正常PLC效应,锯齿形成激活能约为124kJ·mol^(-1),锯齿流变主要由固溶的置换原子铬与运动位错之间相互作用引起;在325～365℃区间出现了异常PLC效应,这一方面是因为随着拉伸温度升高,溶质原子的扩散能力增强,以至于原子气团不能稳定存在,导致动态应变时效作用减弱,另一方面是因为随温度升高,析出相开始成为溶质原子的湮没源,使得锯齿消失;在高温下,强度的急剧降低和塑性的急剧升高说明动态回复在塑性变形过程中起到主要的作用。

时效对LC9铝合金锯齿流变的影响

研究了LC9铝合金经退火、淬火,及不同条件时效处理后的锯齿流变行为开始出现锯齿的临界应变ε_c随着时效加深而后移,从而测得过程的激活能为0.63eV,与空位在Al中的扩散激活能吻合。时效试样与退火试样不同,应变率ε增大,ε_c反而减小;而退火试样的ε_c则随ε而增大。说明退火试样的锯齿流变是形变空位控制的,而时效试样则是淬火空位控制的。若时效时间加长,锯齿由较为整齐的脱钉型变为明显衰减的钉扎型。锯齿密度也因时效而稍许减小。用位错与溶质原子及GP区的作用对以上现象进行了解释。

11Cr铁素体/马氏体钢高温拉伸时的锯齿流变现象

在应变速率为2×10-5~1×10-3s-1范围内以及不同温度(600~700℃)下,对11Cr铁素体/马氏体钢进行拉伸试验,研究其在变形过程中的锯齿流变现象。结果表明:试验钢在变形过程中出现了"反常"锯齿流变,且只出现一种E型锯齿波;锯齿开始出现在拉伸应力最大值附近,锯齿波主要处于拉伸曲线的下降段;锯齿形成的有效激活能约为43.44kJ·mol-1;高温时,置换原子气团能量高,完全钉扎住位错,当一定数量的位错达到临界运动速度时,摆脱了置换原子气团的钉扎,从而导致产生锯齿流变现象。

稀土对AlMgSi合金锯齿流变的影响

本文介绍含与不含稀土的AlMgSi合金时效初期的锯齿流变 (PLC效应) 所进行的系统实验。结果为:时效初期二者均出现锯齿流变,开始出现锯齿的临界应变ε_c(或临界应力σ_c) 随时效温度的提高及应变率的增大而变大。在相同条件下,含稀土合金的临界应变ε_c (或σ_c) 普遍小于无稀土的。探讨了时效初期稀土对空位扩散的影响,认为稀土元素有使过饱和空位析出速度减慢的作用,这可能与稀土原子半径较大有关。初步估算空位在含与不含稀土的AlMgSi合金中的扩散激活能分别为0.5及0.37eV。

AlZnMgCu合金过时效后期锯齿流变的再现

研究了ＡｌＺｎＭｇＣｕ合金经充分过时效处理后锯齿流变的再现．锯齿流变开始出现的临界应变εｃ是时效温度Ｔ及时效时间ｔ的函数，从而得出锯齿流变再现的激活能约为２ｅＶ，相当于Ａｌ中空位形成能与Ａｌ中溶质原子扩散激活能之和．εｃ还是应变速率ε的函数．

高熵合金的锯齿流变研究进展

随着高熵合金得到广泛关注,对其变形过程中的锯齿流变现象的研究也与日俱增。目前对高熵合金锯齿流变的研究主要分为低温、室温和高温3类。研究结果表明,高熵合金在多种温度和应变速率下变形都会表现出明显的锯齿流变现象,且锯齿形成机理也因试验环境和合金成分的不同而有所不同。主要从3种温度下论述高熵合金中的锯齿流变现象,并对高熵合金锯齿流变研究进行展望。

铁素体/马氏体钢P92的正常和反常锯齿流变行为

对经过正火和回火处理的P92钢在573～623 K的温度区间和5×10-5～1×10-3-1的应变速率范围内进行了拉伸试验,研究了温度和应变速率对铁素体/马氏体钢P92锯齿流变的影响。结果表明：在应变速率为5×10-5～1×10-3s-1及温度为573～623 K这两个区间内进行拉伸试验,P92钢产生锯齿流变时的临界应变均表现出正常和反常的行为。经计算,正常锯齿流变激活能为134 k J/mol。结合透射电镜观察结果,表明铬原子等置换原子可能是产生锯齿流变的原因,而反常行为则可能是由于位错对析出相产生切割作用引起。

应变速率对Zr_(67.76)Cu_(11.94)Ni_(8.30)Al_(12)非晶复合材料力学性能及锯齿流变行为的影响

采用统计学方法研究了应变速率对Zr_(67.76)Cu_(11.94)Ni_(8.30)Al_(12)非晶复合材料力学性能及锯齿流变行为的影响。结果表明:随着应变速率的增加,材料的塑性应变减小,抗压强度下降;同时应力降幅Δσ的锯齿分布从单调下降分布转变为峰状分布,应力降幅的频数由小应力降幅区间向大应力降幅区间过渡,单位塑性应变的锯齿频数M呈下降趋势,试棒侧面剪切带数量减少且相互交割、分支、阻止作用明显减弱,此时,由多重剪切带扩展转变为单一剪切带扩展,使得材料的力学性能迅速下降。

一种奥氏体铁镍基合金中的锯齿流变现象

采用3种应变速率在不同温度下对一种奥氏体铁镍基合金进行拉伸实验,结果发现在300—700℃范围内发生锯齿流变现象;锯齿流变现象在300—600℃范围内表现为凸起式锯齿,而在700℃时表现为下凹式锯齿;此锯齿流变具有热激活性,即较高的拉伸温度使锯齿易于发生,较大的拉伸速率则抑制其发生.对比分析室温(不发生锯齿流变)及400℃(显著发生锯齿流变)拉伸试样的微观组织,发现在400℃拉伸后的孪晶界上存在明显的位错塞积,说明孪晶界可以有效地阻碍滑移变形,引起孪晶界附近应力积累,从而导致了凸起式锯齿流变的发生.孪晶界数量对锯齿波形的影响证实了此观点.