（材料加工工程专业论文）热处理与形变对铝铈合金高温内耗影响的研究.pdf

沈阳理工大学硕士学位论文 摘要 内耗作为对结构极为敏感的量，在伴随结构和缺陷变化的同时会相应地表现 出各种特征。而稀土在冶金方面的应用特别是在钢铁冶金过程中的应用是目前研 究最完善的，其次则是在有色金属的冶炼中广泛应用。稀土在铝及铝合金中的添 加可细化宏观及微观组织，改善耐热、耐腐蚀及机械性能。随着对稀土铝合金的 性能要求越来越多元化，研究稀土在铝合金中的作用机理变得越来越重要，使得 研究稀土铝合金的内耗成为一个重要课题。冷拔稀土铝合金导线在热处理或形变 过程中，要经历回复、再结晶及二次再结晶等诸多过程，晶界结构及附近位错将 经历复杂的运动过程，研究稀土铝合金的高温内耗( 主要是晶界内耗) ，可以推知 稀土在晶界处的状态，对晶界的作用等。 本研究运用内耗测量方法，以a 1 c e 合金丝为研究对象，测量其经过热处理 和拉伸后的内耗，研究内容主要分为三部分：退火温度对a l c e 合金高温内耗的 影响；退火保温时间对a l c e 合金高温内耗的影响；形变量对舢c e 合金高温内耗 的影响。对内耗曲线进行处理和综合分析，考查内耗参量，包括峰温、峰高、激 活能，来探讨热处理及形变等宏观处理对合金内耗曲线的影响及其表现出来的特 征，并以金相实验为辅助，探讨稀：上c e 对铝晶界内耗峰的影响。 研究结果表明：1 内耗曲线共出现三种内耗峰：较低温度退火的试样在 5 0 5 k 5 3 0 k 出现的内耗峰为传统晶界内耗峰；在传统晶界峰的高温侧出现的内耗 峰为固溶晶界内耗峰；高温退火后试样内耗峰为竹节晶界峰。2 试样内耗突然大幅 下降的温度即为二次再结晶开始的温度。形变量增大，试样内耗发生突降的临界 温度降低，二次再结晶开始的温度降低。3 稀土的添加使试样的传统晶界峰峰高、 峰温均低于纯铝晶界峰，且随稀土含量的增多，峰高降低，峰温向低温移。稀土 的添加使晶粒细化。 关键词：内耗；a 1 c e 合金；退火；形变 a b s t r a c t t h ei n t e m a l 衔c t i o na sav e 巧s e n s i t i v ep h y s i c a lq u a n t i t yt ot h es t m c t u r ew i l ls h o w v a d o u sc h a r a c t e r i s t i c s ，a l o n gw i t hm o t i o n so fi n t e m a ls t m c t u r ea n dd e f e c t s t h es t u d y o f 印p l i c a t i o n so fr a r e e a r h f o rm e t a l l u r g yi n d u s t r i e se s p e c i a l l yf o rs t e e la n di r o n s m e l t i n gi st l l em o s tc o m p l e t e a n dn o n f e r r o u sm e t a l ss m e l t i n g i sf o l l o w e d t h e a d d i t i o no fr a r e e a n he l e m e n t sc a j lr e f i n et h em a c r oa j l dm i c r oo r g a j l i z a t i o n ， a 1 1 d i m p r o v et h eh e a tr e s i s t a n c e ， c o r r o s i o nr e s i s t a n c ea i l dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s a s r a r e e a n he l e m e n t sa r em o r ea 1 1 dm o r ew i d e l yu s e di na la n da la l l o y s ，s t u d y i n gw h a t r o l e sr a r e - e a r t he l e m e n t sp l a yi na la i l da la l l o y sb e c o m e sm o r ea n dm o r ei m p o m u l t c o l dd r a 、城n gw i r e so fh l r e - e a n ha h l i n i n u ma l l o y sw i ue x p e r i e n c et 1 1 ep r o c e s s e so f r e c o v e r y ，r e c r y s t a l l i z a t i o n ，s e c o n d a 巧r e c r ) r s t a l l i z a t i o na n ds oo n ，i nt h ep r o c e s s i n go f h e a t m e n t a n dd e f o n n a t i o n a tt h es a n l et i m et h eg r a i nb o u n d a r ys t m c t u r ea u l d d i s l o c a t i o na r o 吼dg r a i nb o u l l d a i i e s 谢ue x p e r i e n c ec o m p l e xm o v e m e n t s s t u d yo fm e h i g h t e m p e r 撕】r ei n t e m a l 衔c t i o na b o u tr a r e - e 抓ha l u m i n i 啪a l l o y s ，e s p e s i c a l l yg r a i n b o u l l i i a r yi n t e m a l 伍c t i o n ，c a j ls h o we x i s t e n t i a ls t a t e so fr a r e - e a 吡i n 铲a i nb o u n d 撕e s a 1 1 de 脏c t so n 伊a i nb o 1 d a r i e s 、 t h ei n t e m a lf r i c t i o no fa l - o 6 0 0 w c c ea n da l 一1 o o 、t c ea 1 1 0 y sp a s s e dt h r o u g h 锄e a l i n g t r e a t m e n to rc o l dd e f o m a t i o n ，w a sm e a s u r e db yt h ei n t e m a l衔c t i o n e q u i p m e n t t h e r e w e r e m a i n l yt h r e ep a r t s o fe x p e r i m e n t s ：e f i f e c t so fa r m e a l i n g t e m p e r a n l r e ，锄e a l i n gt i m ea n dd e f o n n a t i o nr a t i oo n 扯g h t e m p e r a t u r ei n t e m a l 衔c t i o n o fa l - c ea l l o y s t l l r o u 曲t h ec o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so fi n t e m a l 衔c t i o nc u e s ， i n c l u d i n gp e a kt e r n p e r a h j r e ，p e a kv a l u e s a 1 1 da c t i v a t i o ne n e r g y ，t h ep 印e ra i m st o e x p l o r eh o wi n t e m 以丘i c t i o nc u r v e ss h ma c c o r d i n g l yw i m d i f f e r e n ts t m c t u r es 协t e sa n d s t m c t u l ed e f e c t s f u l 曲e m l o r e ，i ta l s oa i m st op r o b ei n t ot h ee f f e c t so fr a r e - e a n hc eo n 铲a i nb o w l c i a r ) ，i m e m a lf i c t i o n ，w i t hm e t a l l o g r 印h i ce x p e r i m e n t sa ss u p p l e m e n t s t h er e s u l t sw e r ea sf o l l o w s 1 t 1 1 1 e ei n t e m a l 衔c t i o np e a k sw e r eo b s e r v e di n a 1 o 6 0 0 w t c ea n da l - 1 o o w c c ea l l o y sa r e rd i f i f e r c n ta n n e a l i n g 仃e a t m e n t s f i r s t ， t r a d i t i o n a lg r a i nb o u l l d a 巧i n t e m a l 雠c t i o np e a k sw e r cf o u l l db e 铆e e n5 0 5 ka 1 1 d5 3 0 k i ns 锄p l e sa r e r 锄e a l i n ga tl o w e rt e m p e r a t u r e s e c o r l d ，i nb j g ht e m p e r a t u r es i d eo ft h e 一 沈阳理工大学硕士学位论文 二二一 仃a d i t i o n a li n t 锄a 1 衔c t i o np e a l ( a p p e a r e das o l i ds o l m i o n 铲a j nb o u n d a 巧p e a l ( m r d ， b 锄b o og r a j nb o u i l d 撕e sp e a k sw e r ef o u l l d i ns 锄p l e sm e ra 1 1 1 1 e a l i n g a th i g l l e r t e l n p e r a n l i - e 2 i m e m a l 衔c t i o nv a l u e sf e ud r 锄a t i c a l l ya tac e r t a i nt e m p e r a t l l r ea t w b i c hs e c o n d a r ) rr e c 巧s t a l l i z a t i o nb e g a l l w i mm ei n c r e a s eo fd e f o m l a t i o nr a t i o m e t e m p e r a t u r ea tw m c hi n t e m a l 衔c t i o nf e l ld r a m a t i c a l l ya n ds e c o n d 龇yr e c r y s t a l l i z a t i o n b e g a i l ，r e d u c e d 3 t h et e m p e 删= u r e sa i l dv a l u e so f 仃a d i t i o n a lg m i nb o u n d a r yi n t e m a j 衔c t i o np e a k s 、e r er e d u c e db e c a u s eo fm ea d d i t i o no fr a r e e a n hc e a n dt h em o r e r a r e - e 枷1c ea d d e d ，t h es m 酊l e rt h ev a l u e sw e r ea n dt h el o 、e rt e m p e r a t u r e st 1 1 ep e a k s m o v e dt o t h ea d d i t i o no fr a r e e a r t hc ea l s om a d eg r a i n sr e f i n e d k b yw o r d s ：i n t e m a l 衔c t i o n ；a l c ea l l o y s ；a 1 1 i l e a l i n g ；d e f o m l a t i o n 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 固体内耗概述 1 1 1 固体内耗的理论基础 振动的固体，即使与外界完全隔绝，其机械振动也会逐渐衰减下来，这种使 机械能量耗散为热能的现象称为内耗。 固体内耗广义上分为过程内耗和内禀内耗【。过程内耗是测量内耗所用的应变 振幅大得足以使试样发生范性形变或在测量过程中材料出现相变，而产生的附加 的大的内耗，不代表材料本身的内耗。测量内耗时，所用的振动振幅应当不使材 料发生范性形变。而内禀内耗是材料本身的内禀的阻尼性能，一般来源于原子在 外加的应力诱导下发生的原子尺度的热激活弛豫，属于滞弹性范畴。固体内耗理 论基础主要论述固体的内禀内耗，阐述的是固体的滞弹性弛豫，主要包括点缺陷 弛豫( 空位、间隙式溶质原子和替代式溶质原子引起的弛豫) 、位错弛豫( 线缺陷 引起的弛豫) 和界面弛豫( 晶界、相界、层错引起的弛豫) 。 1 1 1 1 内耗的量度 ( 1 ) 对数减缩量( 万) 对试样施加外力使试样偏离它原来的平衡位置以后，不再施加外力，试样进 行自由振动。试样在自由振动当中的振动振幅不断衰减，衰减得越快，内耗越大。 因而可用对数减缩量6 来量度内耗，即 萨l n ( 么，翻胛+ j ) u ( 1 1 ) 式中：么以第，z 次振动的振幅，m ； 彳以+ 第胛+ j 次振动的振幅，m ； ，2 振动次数。 ( 2 ) 相位差( 够) 试样在周期性的应力激发下，发生周期性的振动以后，如果继续对其施加周 期性的应力，试样就会进行受迫振动。当振动稳定后，试样就会按照外加的周期 沈阳理工大学硕士学位论文 性应力的频率而振动，只是其应变的相位相对于应力的相位会落后一个角度够。落 后角度越大，内耗越大。因而垆也可作为内耗的一种量度。 ( 3 ) 共振峰半宽度 如果试样被不同频率的外加应力激发，当这个外加应力的频率等于试样自振 或共振频率时，振幅则达到最大。如果其它条件相同，内耗越大，共振峰会越宽。 因此，可用共振峰半宽度所对应的频率范围与共振频率之比来度量内耗。因为其 与振荡电路中的品质因素q 的倒数相对应，所以q 。可成为内耗的一种量度。在内 耗很小时，上述几种量度的关系为： q 叫2 缈= 6 伽吲( 1 - 2 ) ( 4 ) 从能量消耗角度提出的量度 内耗= 去等 ( 1 3 ) 式中：形单位体积的试样在振动过程当中所贮存的最大的弹性能量，e v ； 矿一振动一周过程中单位体积的试样消耗的能量，e v 。 1 1 1 2 内耗的微观机制 滞弹性既属于弹性范畴又在时间上表现滞后现象。从现象上来说，由于应变 落后于应力产生内耗，但应变与应力仍然保持线性关系只是在时间上滞后。从本 质上来说，因为试样内部会存在一些涉及到电子分布状态、原子或电畴磁畴的排 列状态，与固体内部结构和结构缺陷及其运动变化及相互作用的微观过程相关的， 与试样短程或长程序参量有关的内部变量，这些内部变量引起了内耗。 完整的晶体结构表现完全的弹性，不会引起内耗。结构上的缺陷是材料在承 受应力时发生在微观尺度上的结构变化。大部分的内耗与原子尺度上的晶体缺陷 有关，材料在承受应力时，原子从原来的平衡位置迁移到一个全新的平衡位置， 这个过程便会引起微观位移，由于整个过程需要经过一定的时间并且需要越过一 定的势垒，所以导致应变会滞后于应力。因为由应力诱导引起的原子的微观位移 一般要依靠热激活来完成，所以滞弹性内耗的产生过程即是在应力诱导下的热激 活过程。 上述这种应变滞后于应力的具体情况决定于应力或应变状态，并遵循一定的 数学方程，这些方程式中的有关参量与应力一应变方程中的有关参量的关系，就把 内耗的唯象理论与物理本质联系了起来，将内耗与固体缺陷联系了起来。二于是可 第l 章绪论 利用内耗的理论和测量技术来研究固体缺陷( 特别是晶体缺陷) ，从原子尺度上说， 主要包括点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷。 每个内耗源都对应着各自的弛豫时间和弛豫强度，在某一特定振动频率下， 内耗源会引起最大内耗值。在大多数物理化学过程特别是与原子输运现象有关的 弛豫过程中，内耗与测量温度密切相关。血t h e n i u s 关系式反映了温度与时间或频 率的关系： 一o e x 懵 或o e x p ( 一黔 m 4 ， 式中：f 弛豫时间，s ； ，成功跳动的频率，h z ； f 。、v 。二者的指数前因子； 日激活能，e v 。 因此，如果把内耗画成测量温度的函数，则可以得到一个内耗峰，叫做温度 内耗峰。 1 1 1 3 内耗种类 固体的内耗，主要包括点缺陷引起的内耗、位错内耗与晶界内耗【3 】。 ( 1 ) 点缺陷引起的内耗 实际晶体中总是有缺陷存在，最简单的缺陷就是点缺陷，引起内耗的点缺陷 主要是溶解在固溶体中的间隙原子、替代原子、空位以及它们所组成的复杂点缺 陷。点缺陷的存在，在其周围会产生应力或应变场，降低晶体的局域对称性，在 外应力场的作用下，点缺陷将通过原子扩散重新分布，产生弛豫性内耗。目前研 究得较为深入的是斯诺克峰和曾讷峰。 在0 c f e 中，应力诱发碳、氮等间隙原子微扩散( 有序) 而引起的弛豫，斯诺 克 n 】在4 0 年代初首先发现，并给予解释。之后将体心立方中的间隙原子由于应力 感生有序而产生的弛豫称为斯诺克弛豫。根据斯诺克弛豫峰高来测定缺陷浓度， 同时也可用来研究b c c 金属中间隙固溶原子的溶解度及脱溶沉淀的动力学过程。 在替代式固溶体中，替代式点缺陷引起的缺陷对称性不破坏晶体的点群对称 性，因此不产生点缺陷在应力作用下的择优再取向，曾讷 s 】最早在仅黄铜中观察到 应力感生有序的现象；葛庭燧嘲用扭摆法测了相应的激活能；后来，曾讷m 提出了 沈阳理工大学硕士学位论文 溶质原子对，在应力下感生有序的理论。因此，这一弛豫称为曾讷弛豫。迄今已 在面心立方、体心立方和六方密排结构的合金系统中观测到曾讷弛豫。 其它点缺陷引起的弛豫还有偏心与局域对称性破缺和复合点缺陷引起的弛 豫。在掺杂的晶体中发现激活焓很低的弛豫现象，如掺l i + 的k c l 晶体，i 。i + 替代 k + 后出现一个低温弛豫峰，激活能非常小，是由于l i + 半径比k + 小，替代后会产 生偏心，使对称性下降，形成三方弹性偶极子，在外应力下，相应于等效偶极子 取向之间再取向所涉及的l i + 迁移的距离很小，因此激活焓很小【。同样也观测到 由半径大的离子替代半径小的离子而产生的低温内耗峰如石英中a l - n a 离子对引 起的弛豫峰都属于偏心与局域对称性破缺引起的内耗。在q f e 中，掺入替代式溶 质原子( s ) ，其本身并不降低点群对称性，但与间隙原子( i ) 相互作用而形成复 合点缺陷，构成s i 弹性偶极子【8 】。在外加交变应力下，偶极子再取向将出现s i 弛 豫峰，是德拜弛豫峰。 ( 2 ) 位错与晶界内耗 1 9 4 9 年博多尼【9 】在冷加工面心立方金属( c u 、a g 、a 1 、p b ) 的4 k 至室温范 围内的内耗睦线都出现一个稳定的内耗峰，称为博多尼峰。博多尼峰在f c c 金属中 研究得最详尽。由于博多尼峰仅在冷加工样品中出现，纯度越高峰也越高，回复 的影响很小，必须在再结晶温度以上退火才能消失，均说明此峰是冷加工产生的 位错引起的。虽有多种理论解释其机制，目前被广泛接受或公认的是s e e g e ra 提 出的弯结对形成及弯结扩散理论【加】。 葛庭燧【1 1 】在测量退火纯铝多晶的内耗时，在2 8 5 附近出现一个很高的内耗 峰，用单晶做测量无此峰，可肯定该峰是由晶粒间界引起的。得到激活能与铝的 体扩散激活能相等，说明是一种受扩散控制的弛豫峰。晶界峰( 葛峰) 在许多不 同结构的纯金属中均观察到，是一个普遍存在的峰。峰温均接近再结晶温度，激 活能等于或低于自扩散激活能，可能是对晶界上的杂质很敏感。关于晶界内耗峰 的机制，葛庭燧提出了滑动模型，认为晶界上存在无序群，在应力作用下，无序 群中的原子相对滑动，因晶粒交界处的锁住效应，滑动逐渐变慢，产生弛豫应变。 利克( l e a l 【gm ) 则提出晶界移动模型【他】。两种模型都包含原子扩散所控制的弛 豫过程。 当纯铝晶粒尺寸超过试样直径时( 竹节晶) ，内耗峰较晶界峰( 葛峰) 移向低 第l 苹绪论 温，当竹节晶粒增多后，峰高也较晶界峰增大，该峰也不出现在单晶试样中，激 活能与葛峰相同，称为竹节晶界峰。该峰的出现不单纯是竹节晶界的滑动，还有 晶界附近的位错亚结构代替晶角起限制滑移的作用，产生弛豫型内耗。 在晶界峰的高温边，在二分之一熔点温度以上，内耗常常随温度指数上升， 即使在单晶不出现晶界峰的情况下也能看到这一指数上升的高温内耗m ，并且随冷 加工量的增大而增高，称为高温背景内耗。一般认为高温背景内耗是位错引起的， 试样中所含溶质原子对于高温背景内耗并没有显著影响，沉淀相的出现会使高温 内耗增加。 ( 3 ) 其它类型内耗 除此之外还有相变及共格界面的内耗，与热、磁、电性质有关的内耗等。 1 1 2 内耗研究发展及应用 内耗研究开始于对高、低阻尼材料的需求。高阻尼材料可以用来消除或压制 机械元件的机械振动，而开发高阻尼材料最有希望的途径是利用位错弛豫效应， 各种界面运动以及相转变效应引起的内耗。由于对不同阻尼性能的材料的需求， 如何得到高或低阻尼材料、高或低阻尼产生的原因与机理成为一个亟待研究与解 决的问题。于是，从2 0 世纪4 0 年代发展成来的内耗研究已经成为一个专门学科， 并且至今仍在不断的发展中。 斯诺克在4 0 年代初在0 【f e 中，发现应力诱发碳、氮等间隙原子微扩散( 有序) 引起弛豫，之后将体心立方中的间隙原子由于应力感生有序产生的弛豫称为斯诺 克弛豫，兹科皮阿克( s z k o p i a k ) 等人m ，根据数据推导出内耗峰与缺陷浓度的关系， 因此可用斯诺克峰高来测定缺陷浓度，同时也可用来研究b c c 金属中间隙固溶原子 的溶解度及脱溶沉淀的动力学过程。 曾讷于1 9 4 3 年在0 【黄铜中观察到替代式点缺陷引起的应力感生有序的现象， 并于1 9 4 7 年，提出了溶质原子对，在应力下感生有序的理论，发现了曾讷峰。虽 然曾讷弛豫在理论方面还有缺点，但其强度对成分、。有序度及结构( 各向异性) 等很敏感，已被广泛应用。 1 9 4 7 年葛庭燧发表了关于晶粒间界研究的一系列实验结果，1 9 4 8 年，曾讷 ( z e n e r ) 提出了滞弹性的含义，从b 0 1 t z m 籼线性叠加原理推导出滞弹性效应之 间的定量关系，与葛庭燧实验结果相符，奠定了滞弹性理论和实验基础。 沈阳理工大学硕士学位论文 1 9 4 9 年博多尼在冷加工面心立方金属( c u 、a g 、a l 、p b ) 的4 k 至室温范围 内的内耗曲线发现由冷加工产生的位错引起的内耗峰，称为博多尼峰。赛格( s e e g e r a ) 提出的弯结对形成模型很好的解释了此峰的产生机制嘲。 1 9 5 0 年葛庭燧【，】铜合金形变时效后的反常振幅效应内耗现象的解释中提出了 位错与点缺陷的交互作用的非线性滞弹性内耗机制。1 9 5 7 年，威尔特曼( w e e r t m a i l j ) 【，匀提出高温阻尼可能是位错拖曳c o t t r e l l 气团的机制。1 9 6 2 年，肖克( s c h o e c k g ) r 坫】用杂质被位错拖曳而造成的粘滞阻力成功解释了冷加工峰。 另外，中国科学院固体物理研究所在2 0 世纪9 0 年代发现了竹节晶界与出现 在它周围的位错亚结构的交互作用引起的内耗，是一种非线性滞弹性弛豫的高温 内耗峰【1 7 】。1 9 9 6 年7 月第十一次国际固体内耗与超声衰减学术会议交流探讨了点 缺陷，位错与点阵效应，晶界，相变，超导体、磁效应和电效应，高聚物、非晶 物质和复合材料，薄膜和界面等与内耗相关的学科和内耗能够发挥作用的领域。 每一个内耗峰相当于一条机械振动能量吸收谱线，就机械振动而言，各种内 耗谱引起的吸收谱线总起来叫做机械振动吸收谱。如同光谱可以判断相关：元素的 有无、含量的多少，内耗谱也可有如此期望。内耗研究的应用的突出例子如下： ( 1 ) 综合运用斯诺克峰、科斯特峰、葛峰判断稀土元素在钢中是固溶态存在， 还是聚集于位错附近，还是偏析到晶界。 ( 2 ) 应用科斯特峰和g o r s k y 弛豫探测钢中氢的存在状态和回火脆性。 ( 3 ) 应用斯诺克弛豫峰测定钢中的自由c 、n ，避免轧制时的不均匀变形。 ( 4 ) 根据热处理和时效过程中发生的扩散相变和沉淀所引起的内耗开发高强 度时效铝合金。 1 1 3 内耗测量方法及设备嘲 1 1 3 1 内耗测量方法 除了内耗比较大时直接测量应变落后于应力的相位角外，常用方法还有两类： 共振系统的实验方法( 强迫共振法和自由衰减法) 和波传播法。 ( 1 ) 共振系统法 一个共振系统一般包含弹性( 或滞弹性) 元件和惯性元件，前者往往是试样，后 者在共振系统中既能用来改变频率，又能保证试样以单一的模式振动。 ( a ) 强迫振动即一个周期性变化的外应力作用到惯性元件上。 第l 章绪论 式中：t a n 咖内耗； ：、。振幅下降到最大值的1 乏时的角频率，r a d s 。 ( 1 5 ) 如果国：和为振幅下降到最大值的1 2 时的角频率，则 _ t a n 2 等 ( 1 _ 6 ) ( b ) 自由衰减法 q ：三6 ：三l 叫。彳川 ( 1 7 ) 巧丌 式中：6 对数减缩量，一般常用它来度量内耗的大小； 么。、么分别代表第行次和第船+ 1 次振动的振幅，m 。 如果内耗的大小和振幅无关，上式可表示为 q ：三占：j 【- l n ( 彳。彳。)( 1 8 ) 在自由衰减法中，应用式( 1 8 ) 来求内耗。本研究的内耗测量方法即为式( 1 - 8 ) 。 ( 2 ) 波传播法 在上述共振法中，弹性波在试样中传播时，形成驻波，而在波传播法中，弹 性波是行波 式中：a 弹性波的波长，m ； 6 对数减缩量； 6 = 兄口 口传播单位长度的对数减缩量，称为衰减系数。 上式也可表示为6 = 砌厂，那么内耗 式中：v 声速，州s ； 厂频率，h z 。 矿= 昙6 = 号 丌砑 ( 1 9 ) ( 1 1 0 ) 沈阳理工大学硕士学位论文 除了上述几种常用方法外，还有滞后回线法，由于非弹性应变的存在，使应 变的位相落后于应力，在交变应力下，必然存在动态滞后回线，其回线面积即表 示振动一周中的能量损耗，如能直接测出此回线，即可求得内耗值，此法常用于 较低频率下的内耗测量。 1 1 3 2 内耗测量设备 扭摆内耗仪和扭摆线圈装置的发明大大促进了低频内耗研究的发展，是最常 用的内耗测量设备。葛庭燧的扭摆内耗仪的设计是令一根装着扭摆杆的金属丝状 试样作自由扭转振动，分别测量振动中的对数缩减量和振动频率就可测出内耗和 切变模量【1 1 。扭动线圈装置是一种利用圈转电流计的原理来测量恒定应力下的微蠕 变和恒定应变下的应力弛豫的装置。试样作为圈转电流计的悬丝，实验只在低应 力下进行，可用通过“电流计”的电流作为加到试样上的切应力的量度，用“电 流计”的偏转作为切应变的量度。 扭摆内耗仪若干年来经过各种改进，由目测改进为照相、描绘、光电记录， 还发展为由计算机控制的的自动记录和自动绘图的正扭摆和倒扭摆。在中国科学 院固体物理研究所已经研制了由计算机控制的多功能内耗仪，可用自由衰减法、 受迫振动法以及准静态法进行测量。固体物理研究所还与法国里昂国家应用科学 院合作研究了在拉压疲劳载荷过程中的测量超声衰减的装置。 1 1 4 内耗测量方法的特点与优势 内耗是一门边缘分支学科。研究内耗当然首先要把产生各种内耗峰的根源和 物理机制搞清楚，但这不是唯一目的，它更重要的是一种工具和一种研究：疗法。 4 0 年代逐渐发展起来的内耗测量的实验方法，已经成为人们探索金属及其合金微 观结构及其变化规律的强有力的工具，并且在各方面得到广泛的应用。 内耗测量方法具有其它传统的研究手段无法比拟的优点。首先，内耗对固体 结构是高度敏感的。通过研究固体的内耗，不仅能够借此推知固体的结构和其中 缺陷的状态，还可了解固体结构的变化情况及其原子扩散的相关信息。固体结构 只要有变化，在内耗谱线上就会出现新的内耗峰。从某种意义上说，内耗测量方 法具有类似原子探针的作用。其次，内耗实验方法实现了传统方法不能实现的某 些方面的探索，比如它能够揭示固体在动态条件下( 例如原子在迁动时) 的状态。 第三，内耗测量是一种不破坏试样的实验方法，它能够对同一根试样经过多次不 第l 章绪论 同热处理后，进行多次反复的测量。 1 2 金属中的高温内耗 金属中的高温内耗主要是晶界内耗，来源于晶粒间界的弛豫过程，包括传统 的晶界内耗、固溶晶界内耗、沉淀晶界内耗和竹节晶界内耗等。另外，金属中的 高温内耗还包括高温背景内耗，与晶界弛豫本身无关，与冷加工引入的缺陷量密 切相关。下面将主要介绍晶界内耗。 1 2 1 晶界内耗研究概况 目前，力学弛豫过程所引起的内耗峰中只有点缺陷引起的斯诺克峰、曾讷峰， 位错弛豫引起的博多尼峰和晶界弛豫引起的晶界内耗峰比较稳定，解释比较明确。 而晶界内耗峰中迄今为止被发现并得到解释的主要有传统晶界内耗峰( 葛峰) 、固 溶晶界内耗峰、沉淀晶界内耗峰和竹节晶界内耗峰。 1 9 4 7 年葛庭燧发表的关于晶粒间界的力学性质的研究从实验上和理论上证明 金属晶粒间界具有黏滞性，葛庭燧【1 1 】在测量退火多晶纯铝( 9 9 9 9 1 a 1 ) 内耗时， 在2 8 5 附近出现一个内耗峰，用单晶纯铝测量时无此峰，因此断定此峰为晶界引 起的，并测得此峰的激活能为3 4 k c a l m o l ，和铝的体扩散激活能相等，是一种受扩 散控制的弛豫峰，称为葛峰即传统晶界内耗峰。多晶试样的弹性模量与单晶试样 相比，在晶界内耗峰出现的温度范围内，随温度升高模量有显著下降，这是一种 滞弹性行为。 b o l t z m a n n 首先假定应力与应变之间的基本关系对于应力、应变以及它们的时 间微商是线性的，认为在任何瞬间的形变是过去所施加的一系列的恒定力的结果。 用线性叠加原理，b o l t z m a n n 把所观测到的弹性后效都纳入确切的数学公式里。 随后，1 9 4 8 年曾讷 1 8 】把线性叠加原理式列为更简明的形式，推导出蠕变、动态切 变模量、内耗与应力弛豫四种滞弹性效应之间的关系式。1 9 7 2 年，n o 谢c k 和b e q 【1 9 】 从连续弛豫谱的角度也推导出各种滞弹性效应之间的近似关系式。 固溶晶界峰主要分为替代式固溶体的固溶晶界峰和间隙式固溶体的固溶晶界 峰。一系列研究z 川得出，在替代式固溶体中，当溶质含量达到一定值时，原来纯 金属的晶界内耗峰被抑制，而在较高温度出现一个新的与晶界有关的峰。对与适 当的低溶质浓度，两个峰都出现，而原来纯金属的晶界峰并未移动只是当新的峰 形成时逐渐被压抑。而关于间隙式固溶体的研究指出，溶质的效应使峰温向高温 9 沈阳理工大学硕士学位论文 移动，并使峰高发生变化，这表明溶质的引入能提高激活能。在对含c 、n 的钢内 耗研究中，c 、n 的引入并不产生分立的固溶峰，而只是影响纯铁的峰温。当含量 降低时，峰先向高温移动，随后又向低温移，最后趋于稳定【：舶。峰高和激活能也有 类似的结果。之后王业宁和朱劲松f 2 3 ，对含微量c 的f e 多晶和单晶试样的内耗研究 中首次在间隙式固溶体中观测到固溶峰，只是这个峰较替代式固溶体固溶峰小一 些。 对沉淀晶界内耗峰研究得最早的是葛庭燧m 】，发现工业纯铝的晶界内耗远低于 高纯铝的，并且出现在较低温度，对含氧的c u 观测也表现出类似的情况。这是由 于合金元素或氧化物在晶界的沉淀所引起的，雷廷权【2 5 】在测量含c u 、f e 、s i 的工 业纯a l 的晶界内耗时发现，随着杂质含量的增加，内耗峰高度降低，但是峰温却 没有明显的变化。此外，b a i k 和r 萄瞵】在研究a 1 5 m g 合金的晶界内耗时发现， 当试样在空气中退火使内耗峰向高温移动，再在真空中退火，内耗峰又移回原来 的温度。对此，他认为这是由于合金中所含的微量杂质在空气中被氧化，被氧化 的杂质粒子使滑动阻力增加，使弛豫时间增加，从而内耗峰移向高温。研究发现， 沉淀颗粒对于晶界弛豫有强烈的影响。a s a i r i n f 2 7 】等发现，含有几种不溶氧化物 颗粒的c u 不但抑制了c u 的晶界弛豫，而且当颗粒间距减小时，峰温降低。当其 间距小于5 岫时，峰消失。综上所述，合金元素在晶界处的沉淀，对于合金的晶 界内耗有直接地影响关系，一般认为，合金变脆是由于合金氧化物沿晶界析出沉 淀引起，因此研究少量合金元素对晶界弛豫的影响有助于了解合金的脆化机理。 竹节晶界峰是在试样的晶粒尺寸大于试样的直径后，与传统晶界峰温度相近 的位置出现的新的内耗峰，又称之为大晶粒晶界内耗峰。1 9 6 7 年，l e a k f 2 8 】在晶粒 尺寸开始跨越试样直径的铜和铝试样中发现了一个在高温端出现的新的内耗峰。 峰高随超过试样直径的晶粒数目的增加而增大，认为可能是由于应力感生的晶界 滑移所引起的。1 9 7 9 年，o g i n o 和a m a l l o 在含微量铁的铝试样中发现，有一个很 高的弛豫型内耗峰在传统晶界峰附近出现，认为此峰的产生与传统晶界峰的产生 机制相似，都是由晶粒间晃的滑移引起的【。但出现此内耗峰的试样中的晶粒已经 是竹节结构，他们认为此峰是由于晶界的不规则区域例如晶界凸出台阶或坎能够 成为晶界滑动的障碍物，但这种台阶很难阻碍晶界在高温下的宏观黏滞滑动。近 年来，i 、瑚撕对铝的高温内耗的研究发现，铝在较高温度处有两个内耗峰，高温 第l 章绪论 侧内耗峰( 简称为h t c ) 在退火态时占优势，认为其与晶界过程有关，低温侧的 内耗峰( 简称l t c ) 在形变态占优势，认为其与点阵位错有关。而后来葛庭燧等 认为1 w a s a l ( i 所发现的h t c 对应着葛峰而l t c 对应着竹节晶界峰【2 9 1 。葛庭燧等在 1 9 8 4 年研究晶粒尺寸对铝传统晶界峰的影响的过程中发现，当晶粒尺寸超过试样 直径后在传统晶界峰低温侧出现一个新的内耗峰，并称之为大晶粒晶界内耗峰。 此峰的激活能与传统晶界内耗峰相同，其特点与传统晶界内耗峰不同，因此认为 此峰可能不是由于晶粒间界黏滞性滑动所引起的传统晶界内耗峰，而是由于亚晶 界产生的，此峰的峰高与竹节数目成正比，又认为此峰是由于竹节晶界附近位错 所引起的。1 9 8 3 年，m o r i 等人研究了第二相粒子对竹节峰的影响，认为随着退火 温度的提高，晶粒长大到超过试样直径时，试样内的三叉晶界消失，晶界的滑移 不再是可逆的和有限的，也就不可能再产生滞弹性弛豫，内耗峰也不会出珊z 们。但 是当有第二相粒子存在时，这些粒子可以起到与三叉晶界类似的作用，引起弛豫 型内耗峰，即竹节晶界峰。但是未对高纯铝中出现竹节峰的原因作出解释。 1 2 2 晶界内耗与晶界结构关系 晶界弛豫的发生与晶界结构的特点有不可分割的关系，研究晶界的力学行为 和弛豫行为会对晶界结构提供有判断性的信息，对于晶界结构的认识又会转过来 加深理解晶界弛豫的细节以及各种影响因素对晶界弛豫的影响。晶界弛豫的研究 能够将静态的晶界结构观测结果与晶界的力学响应联系起来。 晶界弛豫研究在开始时是希望证明多晶金属的晶界具有黏滞性，考虑的晶界 是平面的和平滑的，晶界的两端是晶界三叉交角。实际的晶界并不总是平面的， 沿晶界存在不规整区域，包括锯齿、晶界坎和各种大小突出物，不纯的试样会出 现沉淀颗粒。这些都可能阻碍晶界滑动。在两个邻接晶粒里的弹性形变或在温度 足够高时所发生的扩散过程可以调节这些阻碍，使晶界继续滑动。 1 2 2 1 晶界的宏观结构与晶界弛豫 葛庭燧，在1 9 4 7 年关于多晶铝的内耗和滞弹性效应的实验证明了晶界具有粘 滞性质，并提出了大角度晶界的黏滞性滑动机制，认为理想的平滑的晶界具有黏 滞性，服从牛顿黏滞性定律，而晶界滑动所引起的不协调可以由于弹性调节而得 到弛豫或容纳。随后的晶界弛豫实验证实，晶粒尺寸对于晶界弛豫的影响相当复 杂，而晶界弛豫的弛豫时间表现一定的分布，指出不能把晶界看成理想的完整平 沈阳理工大学硕士学位论文 面。特别是葛庭燧提出晶界弛豫与扩散过程有关，晶界滑动除了伴随弹性调节还 有扩散调节。 1 9 7 1 年，蹦和a s h b y 【3 l 】提出，实际晶界不会是完整平滑的平面，在多晶体， 晶界是由许多多面体连结起来所形成的界面，即便在双晶中晶界在原子尺度上也 是粗糙的，可用理想的正弦型曲线来表示。在很小的外加应力作用下，晶界在起 始时将少量滑动，但很快受到阻碍。如果温度足够高，则在晶界进行滑动的过程 中将会伴随着，晶界沿着与自身垂直方向的微观迁动，即发生扩散调节，这样就 把晶界弛豫的牵动机制包含在晶界的黏滞滑动模型的总的框架以内。他们的工作 指出了晶界的宏观结构( 晶界的形状和粗糙度) 与晶界弛豫的关系。 1 2 2 2 晶界的过渡结构与晶界弛豫 1 9 2 9 年，h 鹕e a v e s 和h i l l s 明确提出晶界的过程点阵模型，认为对于：具有给 定的取向差的两个邻接晶体而言，晶界里的原子存在着一定的排列图案，这个图 案代表最低可能的势能。1 9 4 8 年m o t t 提出了大角晶界的小岛模型，1 9 4 9 ：年葛庭 燧f 1 】提出了大角晶界的无序原子群模型，都认为大角晶界由“好区”和“坏区组 成，晶界是包含着好区和坏区的一种周期性分布结构。这些是晶界过渡结构的早 期模型【3 2 】。 1 9 7 2 年，a s h b y 【3 3 】关于晶界缺陷及晶界滑动和扩散蠕变的原子机制作了论述： 晶界有一个与晶界倾角以及其对称性有关的微观切变黏滞性；要晶界滑动但不改 变晶界结构，只有晶界也同时发生迁动即滑动和迁动的比率反应着晶界的原子结 构；晶界滑动包含晶界位错在晶界面上的运动；晶界发射和吸收空位实际上是依 靠晶界位错在攀移中所提供的源头和归宿。 1 2 2 3 晶界的原子结构与计算机模拟 c s l 是两个点阵作相对转动以后两个点阵中重位的阵点的集合。根据c s l 晶 界模型，c s l 晶界应当呈现两个邻接晶体之问的最好原子匹配，从而具有最低能 量。c s l 晶界的走向总是沿着含有重合阵点密度最多的平面，使得晶界面有时呈 台阶状从而使最佳匹配比例最大【3 4 】。b i s h o p 和c h a l m e r s 【3 5 】认为，c s l 晶界的特色是 含有周期性较短的原子尺度的坎，其大小是每个c s l 的特征。对于晶界能量的c s l 晶界解析模型进行弛豫和计算机模拟，可得到原子组态达到最小能量时的位错芯 区结构。因此，应用这个模型就能够探索涉及晶界的微观自由度的晶界结构和晶 第1 章绪论 界能量之间的关系。但这种解析模型忽略了单独的原子的弛豫，而只考虑每个晶 界的能量对于所有的原子坐标都已经达到最小化。 重合结构的低能的特殊性质在晶界取向差偏离产生严密的c s l 特殊取向差时 仍然继续。r e a d 和s h o c k l e y 首先提出，当出现这种偏离时，可以引入类似于小角 晶界中的位错列阵以维持低能量晶界【。b r a j l d o n 等 ，e 】首先把这个想法用到c s l 晶 界。当晶界取向差偏离产生严格的c s l 特殊取向差时，可以引入一个晶界位错列 阵来调节实际的晶界取向差与特殊取向差之间的差值，使晶界的能量减到最小， 维持低能的特殊晶界。 1 2 2 4 多晶体中的晶界特征与晶界内耗 多晶体含有各种类型的晶界，可分为小角晶界和大角晶界，大角晶界又分为 能量低的特殊晶界和能量高的一般晶界，每种晶界都有作为其特征的晶界能和取 向差【3 7 】。研究多晶体中含有何种晶界以及各种晶界的份额有助于了解多晶体与晶界 有关的性质。 由于多晶体是经过各种过程制备的，包括凝固、锻、轧、退火等，用不同方 法制备的多晶体中的晶界特征分布不同。w a t a n a b e 对于由挤压加工退火制备的多 晶铝的研究指出：c s l 晶界出现的概率是2 0 3 0 ，随预压挤应变的增加而增加， 小角晶界出现频率随预压挤应变的增加而减小，一般晶界出现频率随预压挤应变 的增加而急剧增加。b e r g e r 用电子显微镜对于经过加工的铝单晶的再结晶过程原 位观察发现，再结晶的早期阶段所形成的晶界近乎是重位型的，随后较多是一般 晶界。f o 溉n e 和r o c h e r 指出细晶粒多晶硅的所有晶界都可用多重孪生关系描绘。 w a t a l l a b e 对c c f e 和c r a b s 虹对铝的研究指出，重位晶界出现的份额随着晶粒尺寸 的减小而增加c 。 最近，张立德和吴晓平 鲳芦 提出用多晶内耗峰的峰位、峰高和峰宽的变化来探 测多晶体的晶界特征分布，认为可以把晶粒间界内耗峰( 葛峰) 看作是各种类型 的问界和一般间界在外力作用下发生滑动所引起的弛豫过程叠加的结果，因而可 把晶界内耗峰的状况看作是晶界结构特