（材料物理与化学专业论文）利用semecc技术对不同取向铜单晶体疲劳位错结构的研究.pdf

_ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ i _ _ _ _ _ _ _ at h e s i si nm a t e r i a l sp h y s i c sa n dc h e m i s t r y i n v e s t i g a t i o n so ff a t i g u e d i s l o c a t i o ns t r u c t u r e s i nd i f | e r e n t l yo r i e n t e dc o p p e rs i n g l ec i 了s t a l s u s i n gs e m e c c t e c h n i q u e b yz h o u y a n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o r l ix i a o 、釉 n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u l y2 0 0 8 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰 写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签名：t 习砀 日期：弦孑7 占 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位 论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年一年口一年半口两卸，i 学位论文作者签名： f 习杨 签字日期： 硼孑7 g 导师签名：喜小圳 签字日期：劣讨7 厂 ( f - j 东北大学硕士学位论文摘要 利用s e m e c c 技术对不同取向铜单晶体疲劳位错结构的研究 摘要 不同取向铜单晶体的循环形变行为和循环形变过程中形成的疲劳位错结构多年以 来就是众多研究者所关注的课题。目前，人们虽然对不同取向铜单晶体宏观循环形变行 为的研究比较全面，但对双滑移和多滑移取向铜单晶体的微观位错结构的认识还远远不 够。本文在标准取向三角形不同边上选取了具有一定代表性的【乏2 3 】共轭双滑移取向和 【- 3 3 】共面双滑移取向，还有具有最大s c h m i d 因子( 踢的【41 84 l 】单滑移取向以及【了l l 】 多滑移取向铜单晶体作为研究对象，利用扫描电镜电子通道衬度( s e m e c c ) 技术对 其进行微观观察，得到了一些有关微观结构的新结果。 通过对 41 84 1 】晶体表面疲劳位错结构的观察发现，随着应变幅的增大， 41 8 4 1 】晶体中观察到的p s b s 呈现不同的位错组态，即依次为典型楼梯结构、由一些单 p s b 组成内含位错胞的粗滑移带以及向迷宫结构和胞结构转变中的窄p s b 。然而，位 错胞在协= 3 3 1 0 4 和丫p l = 1 3 1 0 0 如此低的应变幅下出现于p s b s 中又表明，在单滑 移铜单晶体中，胞结构并非只在高应变幅下的循环变形中产生，它还会出现在较低的应 变幅下。 乏2 3 】和【乏3 3 】晶体中的观察结果表明，【乏2 3 】晶体表面出现的p s b 是由一些沿主滑移面 排列的不规则或较规则的位错胞组成的，而在应变幅怕= 6 2 l 矿下 2 3 3 】晶体表面出现了 由不规则位错胞排列成的p s b 。实际上，【_ 3 3 】晶体在塑性应变幅较低( 1 3 l 矿和3 4 1 0 4 ) 时，就有一些伸长的胞结构从大量的脉络结构中开始转变。另外，( 乏2 3 】晶体中形变带 ( d b s ) 的位错结构由一些不规则的墙结构和胞结构组成，而【至3 3 】晶体中d b s 的位错结构为类 墙结构、位错墙、伸长的胞结构和致密的位错胞等几种微观形态。也就是说这两种双滑移取 向晶体中形成的d b s 呈现出不同的位错组态。 对于【t 1 1 】晶体，需要指出的是该晶体在低塑性应变幅阳= 8 8 l o 5 下出现了饱和现 象，其饱和位错结构为类迷宫状的脉络结构。而在较高应变幅丫p i = 4 o 1 0 r 4 下，该晶体 虽然没有表现出饱和状态，但观察到此时的微观结构主要为位错墙和具有取向差的位错 胞两种位错组态。有意思的是，这些具有一定取向差的位错胞不但沿主滑移面( 1 1 1 ) 排列成一种特殊的p s b ，而且在p s b 胞聚集成的整体结构中，出现了一个由具有高度 取向差的位错胞组成的非常特别的区域，这些位错胞与再结晶的特点相似。 i i i 东北大学硕士学位论文摘要 以上s e m - e c c 观察结果加深了对p s b s 和d b s 微观结构特征的认识，p s b 中的位 错结构随晶体取向和所施加的塑性应变幅改变而呈现出不同的特征，而d b 中的位错组 态受晶体取向、所施加的塑性应变幅、累积塑性应变和应变局部化等因素影响。 关键词：s e m e c c 技术；铜单晶体；位错结构；驻留滑移带；形变带 东北大学硕士学位论文 a b s t f a c t 删印缸。璐o f f 姆d i s l o c 撕o n 砌艄i n d i 舵彻】yq 捌c c 僻) e rs 咄c r 删s 啦 s e m _ e c c t e c b n i q i l e a b s t r a c t t h ec y c l i cd e f o m a t i o nb e h a v i o r 跹dt l l ef i a t i g u ed i s l o c 撕o ns 仃u c t l l r e so fc o p p 盯s i n g l e 叫佟t a l sh a v e 妣c t i e ds u b s t 锄t i v e i n t e f e s t si n m 觚yd e c a d e s r e c e n t l y ，t l l ec y c l i c d e f 0 锄a t i b e h a v i o ro fd i 疏f e n t l yo r i e n t e d c o p p 盯s i n 哲ec 巧s t a l s h a v eb e i n v e s t i g a t e ds y s t 锄a t i c a l l y b u t i ti ss t i l lf 打疔o mc o m p l c t e 咖d t 嚣s t 锄d i n go ft h e m i c r o s t n l c t i l r 豁i n c o p p c fs i n g l e 哪闲t a l so r i 锄t e d f o rd o u b l c -粕dm u l t i p l e s l i p a c c o r d i n g l y i nt h ep r e s e n td i s s e r t a t i o n ，s o m ec o p p 盯s i n 酉ec r y s t a l sw i t hr c p r c s t a t i v e o r i e n t a t i o n sw c r ea d o p t e d ，i e ，【4184 l 】s i n g l e s l i p o r i c n t e dc r y s t a l sw i t ham 胍i m a l s c h m i df a c t o ro f o 5 ，【2 2 3 】c o n j u g a t ed o u b l e - s l i p - o r i e n t e dc 巧s t a l s a n d 【2 3 3 】 c o p l a n a rd o u b l e s l i p - o r i e n t e dc r y s t a l s l o c a t e do nd i a 研e n ts i d 铭o fn l es t a n d a r d s t e r e 0 乒a p k ct r i 锄酉e ，锄d 【1 ll 】m u l 卸l e s l i p o r i e n t c d 够归t a l s t h e 觚g l l ed i s l o c a t i o n s t r i l c t u r e si i lc r y s t a l sw i mt l l e 嘶t a t i o 璐s e l e c t e da b o v ew e r e0 b s e r v e da n d 肌a 1 ) ，z c dl l s i n g e l e c a o n c h a l l n e i l i n gc o r l 仃嬲tt e c h i l i q u ei ns c 锄i n ge l e c 乜0 nm i c r o s c o p y ( s e m e c c ) ，a n d s o m el l e wr c s e a r c h6 n d i n g sh a v eb e e na c h i e v e d 鹤f o l l o w s a c c o r d i n gt 0t l l eo b s e r v a t i o n so ft l l ed i s l o c a t i o ns 协l c t u r e si nc y c l i c a l l ys a t 瞰丑t c dc 0 i p p e r s i 时ec i y s t a l so r i 础c dt o w 裥s 【41 84 l 】，i ti s 向l l i l dm a tm ep e r s i 咖l ts l i pb 觚d s ( p s b s ) o b s e r v e di i l 【4184 1 】c f y s t a l sm i g h te ) 【1 1 i b i td i 插猢l td i s l o c a t i o np a t t e n l s 勰l ea p p l i c d p l a s t i cs 仃a i n 锄p l i t i l d e7 p li n c r e 勰髓，i e t y p i c a ll a d d e rs 仇l c t u r 髓，c o a r s es l i pb 觚d sc o n s i s t i n g o fs o m es i n 酉ep s bw i t h 鲫m ed i s l o c a t i o nc d l s ，肌dt l l en 锄- o wp s bb e i n gi n 1 ep r c h c 嚣so f 仃觚s f o 姗a t i o nt 0l a b ) ，r i i l n ls 饥l c t u r e sa i l d c e l ls t m c t u r e s h o w e v e r ，t h eo c c u 盯e n c eo f d i s l o c a t i o nc e l l si np s b sa ts ol o w 丫p io f 3 3 1 0 4a n d1 3 1 0 - 3s h o w sm a td i s l o c a t i o nc e l l s m a y e x i s t l l o t o i l l ya t l l i 曲丫p l ，b u ta l s oa t c o m p a r a t i v c l y l o w 丫p 1 n ee x p 丽m 锄t a lr c s u l t so f 【2 2 3 】锄d 【2 3 3 】c r y s t a l ss h o wt l l a tp s b s 向m e do n l e 吼1 m l c e so f 2 2 3 】c r y s t a l sa r ec o m p o s e do fi 仃e g u l a r0 rr e g i l l a rd i s l o c a t i o nc e l l sa l i 印e d a l o n gm ep r i m a 巧s l i p p l 觚e ，w h e r e 勰a tm = 6 o lo - 4 ，p s b sc 0 噬n p r i s i n gi r r e g u l a r d i s l o c a t i o nc e l l s e x i s t0 n l e 吼施c 韶o f 【2 3 3 】c 巧s t a l a 咖a l l ms o m ee l o n g a t e dc e l l v 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t s 仇l c t u f 豁t 掇v et c i 】i d e dt oo c c u rb y m m s f o m l i n gf 硒mam 鹊so fv c i n 鼬m c t i l r e se v t ma tl o w 了却 0 f1 3 l 矿龇d3 4 1 0 4 ，d 啪0 n 蚰啦n gn 斌m ec e l l 咖咖e 州df o mi n 咖西争s l i p c r y s t a l sc y d c da tl o wp l 船t i cs 嘲n 锄巾l i t i j d 部，觚d l a t “i sn o to i l l yc h a 嬲e r i s t i c su n d 盯 h i g hs 鼬l 卸叩i i 砌铭m o f v t l l ed i s i o c a t i o nm i c r o s t r i l c t u r 髂i nd e f o n n 砒o nb 锄d s ( d b 3 ) o di i l l e 【2 2 3 】c f y 刚w e 0 b s e r v c c 嗄n p f i s i n gi r r e g u l 盯w a l ls t l l t 瑚髑锄dc e l l s 缸u c t l l r e s ，锄dd i 腑姗td i s l o c a l i o ni i l i 啪s 虮l c t u r e sa p p e a 删i nd b so f 【2 3 3 】a 驴t a l s ，鲫c h 勰w a l l l i k ef e a h 玎岱，d i s l o c 撕o nw a l l s ，e l o n g a t e dc c l ls 咖c t l l l 岱觚dd 饥s ed i s l o c a t i o nc e l l s a p p a 瞅1 t l y 圮d b sf o m e d i n 圮曲o v cd i 妇衙锄t l yd o u b l e - s l i p - 耐e n t e d 哪，s t a l sm a ye x i l i b “ d i 矗萌m td i s l o c a t i o nc o n f i g u r a t i o n s f o rt h e 1 1 1 】c r y s t a l ，i ts l l o u l db ep o i i l 僦o u tt l l a tt h i s 耐e n t e dc r y s t a lc o u l d6 n a l l y e n t e ri n t oas a ：t i l r a t i o ns t a t e 出l r i n gc r c l i n ga ta v e 巧l o w 阳o f8 8 l o ，a n dm er e l c v a n t s 捌i o nd i s l o c a t i o ns 虮l c t l l r e sa r em a i n l yc o m p o s e do fl a b 妒n t h l i k ev e i ns 虮l c t u 螂a s 瑚 i n c r e a s e st o4 o 1 旷，n oc l e a rs a t u r a t i o ns t a g ec 鲫b ef 0 啪d ，b u tm ec o n 璐p o n d i n g d i s l o c a t i o ns 协j c t u r e sa r ec h a r a c t e d z e db yt w ok i n d so fd i s t i n 面v e c o n f i g u 阳t i o n s ，i c d i s l o c a t i o nw a l l sa i l dm i s o f i e i l t e dc e l l s i i l t e r e s t i n g l y ，t h e s em i s 0 r i e i l t e dd i s l o c a t i o nc e l l sa 陀 s t r i c t l ya l i 印e da l o n gt h ep r i m a r ys l i pp l a n e ( 1 l1 ) ，c o n s t m c t i n gau n i q u ep s bs t r u c t l l m o r c o v t h e r ei s al o c a l l yd i s t i n c t i v er c 西o nc o m 研s i n gs o m eh i 曲l y m i s o r i 饥t e dc e l l s ， h a 啊n gar e c r y s t a l l i z a t i o n - l i k ef c a t u r e ，i i lt l l ew h o l es 伽l c t u r eo fp s b c e l l s t h es e m e c c0 b s e r v a t i o 璐a b o v e h a v e g r e a t l y e 血c h e dn l e u n d e r s t 觚d i n g o f m i c r 0 一c o n f i g u r a t i o n si np s b s 锄dd b s o b o l l s l y ，p s b sm i g h te ) 【l l i b i td i f i 衙e n td i s l o c a t i o n f e a t i l r e sd e p 肌d i n gu p o nt h ea ) ，s t a l l o 黟a p h i co r i e n t a t i o n 觚dn l e 印p l i e dp l a s t i cs 仃咖 卸叩l i t u d e ，w k l et h em i c r o s 臼硼蜘i nd b sm i g h td 印e n ds t i o n 西yu p ( mt h e 州a l l o 伊a p k c o r i e n t a t i o n ，廿1 ea p p l i e dp l 鹤t i cs 仃a i n 锄p l i t l l d e ，t h ea c c i l m u l a t e dp l a s t i cs t r a i n ，t h es 仃a i n 1 0 c a l i z a t j o na n ds oo n k e y w o r d s ：s e m e c ct e 蛳q u e ；c o p p e rs i n 酉ea 驴t a l ；d i s l o c a t i o ns 仃u c t l l r 鹪；p e r s i s t 咖s l i p b a n d ；d e f o n n a t i o nb 狮d v i 东北大学硕士学位论文 目录 目录 声明i 中文摘要h i a b s l r a c t v 第1 章绪论l 1 1 引言1 1 2 研究概况2 1 2 1 循环硬化行为2 1 2 2 循环应力_ 应变响应”4 1 2 3 疲劳极限7 1 2 4 形变带8 1 2 5 微观组织结构观察1 0 1 3 本论文研究意义、目的及内容一1 2 第2 章实验方法1 5 2 1 样品制备1 5 2 2 循环变形试验l5 2 3 表面位错结构观察l5 2 4e c c 成象原理简介一1 6 2 5s e m e c c 技术的优越性l7 2 5s e m e c c 技术的发展和应用1 7 第3 章一个特殊单滑移取向铜单晶体的疲劳位错结构观察1 9 3 1 引言1 9 3 2 结果与讨论”1 9 3 2 1 循环应力应变行为1 9 3 2 2 微观位错组态的s e m e c c 观察一2 0 3 2 3p s b 微观组态随塑性应变幅增大的演变2 5 3 3 本章小结一2 6 东北大学硕士学位论文目录 第4 章双滑移取向铜单晶体的疲劳位错结构观察2 7 4 1 引言2 7 4 2 结果与讨论2 7 4 2 1 循环应力应变行为2 7 4 2 2 饱和位错结构的s e m e c c 观察”2 9 4 2 3 形变带内微观位错结构的影响因素4 2 4 3 本章小结4 3 第5 章【t l l 】多滑移取向铜单晶体的疲劳位错结构观察4 5 5 1 引言4 5 5 2 结果与讨论4 6 5 2 1 循环硬化及饱和4 6 5 2 2 饱和位错结构的s e m e c c 观察4 7 5 3 本章小结”5 3 第6 章全文总结5 5 参考文献5 7 致谢6 5 攻读硕士学位期间发表的论文6 7 1 l 一 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 “金属材料在应力或应变的反复作用下所发生的性能变化叫做疲劳；虽然在一般情 况下，这个术语特指那些导致开裂或破坏的性能变化。”这是1 9 6 4 年日内瓦的国际标准 化组织( i o s ) 发表的报告“金属疲劳试验的一般原理”中给疲劳下的一个描述性的定义。 有关材料疲劳形变和断裂的研究可追溯到1 9 世纪。从德国矿业工程师a l b e 甜l 】在 1 8 2 9 年前后完成了金属疲劳的最初研究起，人们开始正视“疲劳一问题。尤其是1 8 4 2 年法国凡尔赛附近的铁路事故后，一位名叫r 锄b n 一2 】的英国铁路工程师在1 8 4 3 就对疲 劳断裂的不同特征有了认识，并注意到机器部件存在应力集中的危险性。当时人们认为， 导致最终疲劳破坏的材料弱化是作为材料基础的微观结构发生晶化的结果。直到1 9 0 3 年e w i n g 和h u m 缸严1 的开拓性工作才使人们认识到，过时的晶化理论对疲劳机制所作 的解释是不正确的。他们通过研究高纯瑞典铁的疲劳，发现多晶材料的许多晶粒内都出 现的滑移带在疲劳形变过程中会逐渐变宽，并导致形成裂纹，而试样的突然破坏是由某 条起主导作用的裂纹向前扩展造成的。到二十世纪二三十年代，疲劳已经发展成一个重 要的科研领域。之后四十年间，很多人大量研究各种力学、组织结构和环境因素对众多 系列工程材料的循环形变、裂纹萌生和扩展的影响。由于光学显微术和电子显微术的进 步，在此时期对循环形变和疲劳裂纹萌生机制的了解取得了长足的进展，其中一些研究 辨识了疲劳形变与断裂的关键微观特征。1 9 5 1 年，z a p p f e 和w r o r d “4 】在疲劳断口上第 一次观察到一种特殊的条痕，也就是如今所谓的疲劳辉纹；1 9 5 6 年，1 1 l o m p s o n ， w 矾s w o n h 和l o u “5 】在试验中发现一种表面痕迹，为此他们提出了“驻留滑移带 ( p e r s i s t e n ts 1 i pb a n d ，p s b ) 这一新的名词，试验结果表明，p s b 是一种已经产生滑移带( 这 里有形变集中) 的金属疲劳试样在表面去除一层之后继续循环，在原位置仍会出现滑移 带的痕迹；1 9 6 0 年，f o r s y t h 和r y d d 6 】首次给出相邻辉纹间距与疲劳裂纹扩展速率之间 的关系，该关系对发展各种疲劳裂纹扩展理论和进行工程构件疲劳失效分析都是特别有 用的。在各类机件破坏方式中8 0 以上是由于疲劳断裂引起的，因此，随着人们对疲劳 在人们生产生活中会产生的重大影响的逐渐认识，如何提高材料疲劳抗力、防止材料发 生疲劳断裂一直受到材料科学工作者的极大关注。从2 0 世纪6 0 年代开始，人们就普遍 认识到只有对疲劳损伤过程的各个阶段的本质进行系统的研究，才能真正找到提高材料 抗疲劳性能的有效途径。疲劳裂纹的形成是与局部区域的塑性变形为先决条件的。因此， 1 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 在研究材料的疲劳与断裂机理时，对材料的循环塑性变形机制的研究就显得尤为重要 了。 疲劳形变机制的最具有结论性意义的研究结果是从高纯材料，特别是从面心立方金 属单晶体( 如c ! l l 、灿等) 得到的【7 3 1 。由于工业用材料的组织结构的复杂性常常使得无法 明确确定疲劳机制，难以进行定量分析，并且这种材料的处理方法和杂质含量也对循环 形变机制具有强烈的影响，所以对延性单晶体的循环形变行为及其微观位错特征的研究 更具有可行性，尤其选用面心立方结构单晶体作为模型材料，可以帮助我们建立有关疲 劳断裂机制的基础性模型，从而帮助迸一步弄清并解决有关疲劳问题。 1 2 研究概况 1 2 1 循环硬化行为 对于延性单晶体来说，只有发生了塑性形变，才会出现疲劳断裂。通常采用累积塑 性应变来作为循环载荷作用下的损伤累积的名义量度，其定义为 r = 4 厂，j ( 1 1 ) i i p i 1 f = i 式中丫p i ，i 是第i 个循环中的塑性分解切应变幅，n 是疲劳总循环数。对于塑性应变幅固定 为诈l 的试验，r = l n 。应当指出，参量r 只是整个疲劳损伤的一个近似量度，因为它 不能精确地反映低塑性应变幅下的永久损伤量。在低塑性应变幅下，位错运动的主要部 分是可逆的。 铜单晶体在外加分解切塑性应变幅1 1 p l 的循环作用下，表现出快速的初始循环硬化， 即流变应力随累积应变量的增加而显著增大，这是由于铜单晶体在循环载荷作用下出现 位错积聚，其主要形式是形成由相互捕获的初级刃型位错组成的偶极子网络，通常称为 脉络、集束或环块。随着循环周次的增加，脉络中的位错密度逐渐增大，同时使每单位 体积中的脉络数目增加，结果使由初级刃型位错紧密堆积成的相互联结的脉络网扩大， 占有高达5 0 的材料体积。脉络对主滑移面上的位错运动有一定的阻碍作用，因此对疲 劳早期的快速硬化有一定的贡献。 为了定量表达晶体的初始循环硬化速率，广泛采用的初始循环硬化系数e o 2 ，其定 义如下： 0 0 2 = 缸蛳，c 啪 ( 1 2 ) 式中丫p l 声岫为初始循环时累积应变量丫p l 僦的差值，人为定为o 2 。通过将初始循环硬化 2 东北大学硕士学位论文笫1 章绪论 率o o 2 与塑性切应变幅丫p l 相联系，建立起0 0 脚关系曲线。m u 曲r a b i 【9 l 将典型的单滑移 取向铜单晶体的0 0 2 阳关系曲线划分为两个阶段。第1 阶段的e 0 2 较低，几乎与怕的变 化无关，其硬化机制主要是主滑移位错的增殖及其相互之间的作用；第1 i 阶段的e o 2 随 m 的增大而显著增加，此时主滑移系大量开动，并伴随有长程内应力的产生和次滑移的 开动。 蕊r d 等人【l o 】，b 髂i n s k i 和b 鹤i n s 虹以及s 黼h 【刀首先对单滑移取向铜单晶体循环 形变的基本特征有了比较全面地认识，之后，g o n g 等人【1 2 1 4 1 ，啪等人【1 5 】，“等人f l 删 又对双滑移、多滑移取向铜单晶体的循环形变行为进行了系统的研究。结果发现，不同 的晶体取向强烈地影响着铜单晶体的循环应力应变行为。另外，l i 等人f 2 3 1 将不同晶体 n 岫翻嚏翻加u 量l yr i 醯n g 妇 柚o t o 似 u s l y f i s i n g i i l 堵卜咖啪8 嚣卜咖啪g 扣n 黝耐yh i 玎娩t a l l h 埔 0 0 1 ，1 1 1 ：n j u g a t ed o u b i es n p 0 0 1 ，0 1 1 ：c n t i c a id o u b l es i i p 0 1 1 ，1 1 1 ：p i a n a rd o u b l es i i p 图1 1 标准取向三角形：不同取向铜单晶体的初始循环硬化速率0 们在不同塑性应变幅抽下的变化口3 1 f i g 1 1s t a n d a r ds t e f 毋删ct r i 觚讲es l l o w i n gt h ev 暑畦a i o no f i l l i t i a lc y c l i ch 盯d i n g 豫t eo o 2w i t h a p p l i e dp l a s t i cs 姐i n 雅i p l i t u d e 铀i i l ( 蛐f 打t l y 而饥锄c o p p 盯咖酉e 叼l r s t a l s 】 取向对铜单晶体的循环应变硬化行为的影响进一步总结并加以阐述，如图1 1 所示。可 以看出，随着晶体取向的不同0 0 2 - 丫p i 曲线表现出一定的规律性变化。对于分别位于标准 取向三角形 0 0 1 】- 【o ll 】和 0 1 l 】一【t 11 】边上的临界双滑移和共面双滑移取向晶体，e 0 2 丫p l 曲线均呈现出类似于单滑移取向晶体所具有的特征：近似水平的曲线阶段和单调上升的 曲线阶段。当应变幅较低时，0 0 2 较低，几乎与应变幅无关，此时临界双滑移和共面双 滑移取向晶体的次滑移系和主滑移系的交互作用并不强烈，硬化过程主要是以主滑移系 的位错增殖及其交互作用为主；当应变幅较高时，0 0 2 随应变幅的增大而快速增大，次 滑移系已大量开动，与主滑移系发生大量的交互作用。这种初始硬化特征都与单滑移晶 - 3 _ 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 体的结果相似。然而，位于【o o l 】【- l l 】边上的共轭双滑移取向晶体只有在【_ 1 2 】取向上 表现出明显的两种曲线阶段，随着晶体取向由【t 1 2 】沿着 0 0 1 】【t “】边分别向【0 0 l 】和 【_ 1 1 】变化，这种明显的曲线两阶段逐渐消失，由【0 0 1 】和【- l l 】多滑移取向晶体的随应交 幅劲增大而单调上升的曲线所取代。宫波等人【l 例把【_ 1 7 】和【0 0 l 】具有较高的e o 2 值主 要归因于主滑移位错与共轭滑移位错反应而导致的l 0 m c o t 嘲l 锁的形成。与【0 0 1 】晶 体相比，【1 l 】晶体的硬化更加快速。而与【0 0 1 】和【- 1 1 】晶体明显不同，标准取向三角形 上的第三个顶点 0 l l 】多滑移取向晶体的0 0 2 坳曲线在应变幅丫p i 2 0 1 0 弓范围内几乎保 持不变，并且随着应变幅的进一步增加，仍为近似于水平的曲线，循环硬化速率e 0 2 的 变化几乎与应变幅伽的增加无关【2 5 1 。l i 等人【2 3 】同时指出不同取向的晶体表现出不同的 初始循环硬化速率是与不同的位错反应模式以及各滑移系之间的相互影响有着密切的 关系。 1 2 2 循环应力一应变响应 循环应力一应变( c y c l i cs 仃c s s s 蛳玛c s s ) 曲线常常被用来描述晶体材料的宏观 循环形变行为。晶体在循环应变作用下，流变应力随累积应变量的增加而发生变化，最 后达到一稳定或近似稳定水平，称为循环饱和应力t 。，用对丫p l 作图，就得到c s s 曲线。 1 9 7 8 年，德国的m u 曲m b i 【9 1 在一个较宽的塑性分切应变幅范围内( 1 5 5 1 0 5 2 1 0 - 2 ) 对单滑移取向铜单晶体的循环形变行为进行了细致的研究，总结出了经典的单滑移取向铜 单晶体的c s s 曲线( 见图1 2 ) 。该曲线清晰地体现出三个阶段，在这三个区段中，材料表 现出明显不同的应变硬化特征。当应变幅丫p l 丫p l ，a b 6 1 0 巧，处于a 区时，材料出现 加工硬化，饱和应力为应变幅的单调增函数，这种加工硬化是由初级位错的积聚造成 的；当l ，a b 丫p l 丫p i b c 时，到达c 区，饱 和应力再次随丫p l 的增大而单调增大，其微观位错结构特征表现为迷宫结构和位错胞结 构的形成。另外，该曲线的b 区的一个明显的特点是饱和应力k 几乎不随应变幅变化， 约为2 8m p a ，此时形成的p s b s 承载了大量的塑性应变，是应变高度集中的结构，其 体积分数随应变幅的增加而线性增加，w m t e 产6 】的两相模型可对此加以很好的解释。 p s b 是应变局部化的区域，携带了几乎全部的塑性形变，它是c s s 曲线出现平台区的 根本原因。由于p s b 的形成是导致材料产生疲劳裂纹以至疲劳破坏的重要根源之一， 因此c s s 曲线的b 区一直是循环塑性变形机制研究中的一个热点。 c h 铋g 和l a i r d f 2 7 】针对标准取向三角形内各种单滑移取向的晶体进行疲劳试验发 4 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 现，所有晶体的饱和应力龟均约为2 9 a ，与晶体取向无关。我国学者金能韫【勰捌研 究了双滑移和多滑移取向铜单晶体在阳= 3 1 0 3 下的循环形变行为，发现取向位于标 准取向三角形的不同边上和顶点处的晶体具有很不相同的循环饱和行为，并提出位错反 应模型解释了实验所得到的结果，但她并没有给出关键的c s s 曲线。1 9 7 8 年，b h 融和 i 应“划认为c s s 曲线的平台行为是单晶体和多晶体共同的特征；而m u g l l r a b i l 3 i 】随后却 提出完全不同的结论：多晶体的c s s 曲线无任何平台出现。1 9 8 5 年，l l l k 鹤和删舷j 采用不同晶粒度的多晶铜进行实验，发现细晶粒多晶体的c s s 曲线无平台区( 如图1 2 所示) ，而粗晶粒多晶体的c s s 曲线有准平台出现。“铜单晶体和多晶体的c s s 曲线平 台出现的条件 已成为多年来争论的焦点。 图1 2 单滑移取向铜单晶体和铜多晶体的循环应力应变曲线 f i g 1 2c y c n cs 仃璐s - s 妇i nc i l n 髑o fs i i l g l e - s l i p 吣r i 饥t c dc o p p e rs i i l 酉ec d ，s t a l 锄dc o p p 盯p o l y c r y s t a l s 单滑移取向铜单晶体循环形变行为的研究己日益完善，很多研究者为了将它的简单 理论与实际应用的多晶材料相联系，又采用双滑移、多滑移取向铜单晶体做了大量有关 循环形变行为的试验，以便更好地了解多晶体中的循环形变机制【协1 9 3 3 0 6 】。李小武等人 【3 7 】系统的讨论和总结了单滑移、双滑移和多滑移取向铜单晶体在循环形变中呈现的不同 平台行为。除此以外，l i 等人【2 0 】后来通过对前人及自己工作的归纳分析，得到有关循环 应力应变响应特征的规律，如图1 3 所示。不同于单滑移晶体，晶体取向强烈影响着双 滑移和多滑移晶体的c s s 曲线的平台行为。位于标准取向三角形三个顶点的【0 0 l 】、【0 1 1 】 和 - 1l 】多滑移取向晶体体现出不同的特征，其中【0 1 l 】晶体在应变幅黝= 1 1 1 0 4 7 2 l o - 3 时，其c s s 区线出现明显的平台区，与单滑移取向单晶体的平台区范围接迈。而【0 0 1 】和 【t l l 】晶体在所施加的应变幅范围内都没有平台区的出现，饱和应力随塑性切应变幅丫p ， 的增大单调递增，与多晶体的结果极为相似【1 4 ，3 5 1 。不同晶体取向对双滑移取向铜单晶体 的平台行为的影响也非常显著。【t 1 2 】共轭双滑移取向铜单晶体表现出非常类似于单滑 - 5 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 移取向晶体的c s s 行为，同样可将其c s s 曲线划分为三个区，出现清晰的平台区，只 是三个区的范围与单滑移晶体相比发生了变化。但是随着晶体取向由【- 1 2 】沿 【0 0 1 】【1 1 1 】边逐渐变化，这种平台行为也逐渐消失，最终由无平台现象所取代。而位于 【_ l l 】_ 【o l l 】边上的共面双滑移取向晶体，在所研究的应变幅范围内均无明显的平台区， 但是在小应变幅范围内出现了一种近似的准平台。李小武等人【3 8 】在对匝3 3 】晶体的循环 应力应变响应的研究中发现，【互3 3 】晶体的c s s 曲线在所研究的塑性应变幅范围内不呈 现明显的平台区，但是在3 1 0 r 4 2 1 0 3 应变幅范围内近似为一准平台。张轶伟【3 9 】曾 对【乏5 5 】共面双滑移取向铜单晶体的循环形变行为进行过研究，她认为【互5 5 】晶体的c s s 曲 ( n 0p o j 7 0 1 2 0 3 4 ( 1 x 1 一7 厶1 0 3 ) i工 p l 锄e 跚一q 幽赢p l a 钯眦一s h o 巾贸p l a ：嘲i 一c l e 酊p l a t e a u 1 1 似1 0 - _ 躯1 0 - 3 0 0 1 ，1 1 1 ：c o n j u g a t ed o u b l es i l p 0 0 i 0 11 ：c r i t i c a id o u b i es i i p 0 1 1 ，1 1 1 ：c o p i a n a r d o u b i es i i p 图1 3 标准取向三角形：不同的晶体取向表现出不同的平台行为【2 0 】 f i g 1 3s t a l l d a r ds 衄g m p h i ct f i 觚g l es h o 讹gt h ed i 舵r 铋tp l a t e 肌b e h a 访o u 娼p r 懿ti n d i n y 嘶锄t e d 毽t a l s f 2 0 j 线并无平台区存在。但实际上，从她所得的数据可以发现，【乏5 5 】晶体的c s s 曲线约在 丫p l = 1 0 4 3 o l 旷范围内为一准平台区，与【- 3 3 】晶体的结果基本相似。因此，从【0 1 1 】 晶体的c s s 曲线在很宽的塑性应变幅范围内出现平台区到【i 1 1 】晶体的c s s 曲线平台区 的消失1 3 5 1 ，是以共面双滑移晶体的c s s 曲线出现准平台区作为过渡的。相对于前两种 双滑移取向晶体，临界双滑移取向晶体的平台行为的变化就丰富得多，晶体取向沿着 【0 1 1 】- 【0 0 1 】边的变化，使得平台行为产生如下改变：明显的平台区一窄平台区一准平台 6 - 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 区一无平台区。通过系统研究与分析，l i 等人f 刎得出以下重要结论：平台区的出现与否 以及平台区