自从1934年由Taylor,PoLanyi和Orowan3人几乎同时将位错概念引入晶体 中并与晶体的不均匀滑移变形相联系以来,位错理论已成为分析金属材料许多重要行为(特别是力 学行为)的理论依据。虽然实际金属中位错非均匀分布,且强化常常取决于位错的局部交互作用, 但仍以平均位错密度来表征对基体的强化作用,故准确测量具体金属中的位错密度有实用意义。本 研究采用X射线衍射法和新的线形分析理论<1～5>,测定了不同变形条件下的位错密度,并分 析了影响位错密度的因素。为了深入研究冷塑性变形的强化机制,利用透射电子显微镜对其晶体结 构和位错组态进行了研究<6～8>。1 位错测定的物理基础———新的线形分析理论衍射仪测 得的试样轮廓线形h(x)称为实际线形,可表示为:h(x)=∫g(y)f(x-y)dy/ Q(1)式中:g(y)为几何宽化线形,一般是由衍射几何等仪器因素而引起的衍射线宽化;f (x-y)为物理宽化线形,它完全是由所研究的物理因素而引起的衍射线宽化;Q为比例因子。 几何线形都可展成Fourier级数。设A(L)为实部,则有:An(L)=Ag(L)·A f(L)(2)式中:Ag(L)及Af(L)反映线形的对称性,与有效晶粒大小Deff和第 三类应变的均方根值SMR有关。理论分析认为,物理线形f(x)由粒子大小宽化线形fD(x )和应变宽化线形fS(x)卷积而成,因此:Ar(L)=AD(L)·AS(L)(3)式中 :AD(L)=a-L/Deff(4)a为Hook效应常数,一般线形均可认为是由Cauc hy成分和Guassian成分组成的混合线形。于是,可由Cauchy积分宽度βC和Gu assian积分宽度βG表示AS(L),即:AS(L)=exp(-2βCL-πβ2GL 2)(5) 利用最小二乘法求出Deff、a、βC和βG的最佳值,即可求出位错密度ρ和 位错分布参数M。这一新的线形分析理论可以方便地测出常见的fcc、bcc和hcp三种结构 的位错密度及分布状态。2 位错密度测定实验方法把经球化退火处理的20CrMnTi钢加工 成直径图1 位错密度随变形量变化的规律Fig.1 Dislocationdensity asfurctionofdeformationamount为8mm,高为15mm的圆柱 试样,分为5组,每组3个。应变分别为5%、10%、20%、30%、40%、50%、60 %。利用X射线衍射法和新的线形分析理论计算出不同压缩应变下的位错密度,如图1所示。可以看出,随压下量的增大,位错密度也增大,当变形量大于40%时,位错密度基本恒定在1012～1013/cm2。3 透射电镜试验31 试样制备用金属线切割机在上述试样的中间切割下300～400μm的薄片。用502粘胶将 薄片贴在金属垫片块上,用手工方法在砂纸上磨薄,除去线切割电火花造成的表面损伤(每边约1 00μm),再用w(H2O2)=45%、w(H2O)=45%、w(HF)=10%的混合 溶液对薄片进行化学抛光。目的是为了得到用于最终电解减薄的预薄膜,同时又可消除打磨时造成 的变形层。然后用双喷油解抛光仪减薄,制成供透射电镜观察用的金属薄膜试样。电解抛光液为1 5%的高氯酸无水乙醇溶液。抛光电压为20V,电流为1A,电解液温度为0℃。为了使电镜试 验更理想,将电解后的试样再用离子减薄仪进一步减薄。这样可使试样薄区增大,又可除去抛光时在样品表面形成的氧化膜。32 试验结果采用H 800透射电子显微镜对试样中的晶体结构及位错形态进行分析,试验时加速电压为200kV,束斑10nm,用选区电子衍射分析晶体结构,用衍衬象观察位错形态。3 2 1 晶体结构分析选区电子衍射结构分析表明,20CrMnTi钢基体结构为铁素体+珠光体组织 。明场观察时发现20CrMnTi钢的显微组织中存在普通晶界和孪晶晶界2种晶界。图2是普 通晶界衍射图。图3是应变为40%的试样的晶界衍射图。此项试验在冷锻和等速压缩试验中均一 致。图2 普通晶界选区电子衍射图Fig.2 Selectedzoneelectrond iffractionphotographonthegrainboundaries图3 应变为40%时试样的晶界Fig.3 Grainboundarieswithstrainof40%32 2 位错形态观察(1)晶内位错以上5组试样在明场下位错形态基本相同,主要是呈“曲折”形的 线状位错,某些区域密度较高,位错缠结成网状,如图4和图5所示。图4 经5%变形后试样晶 内位错(×80000)Fig.4 Dislocationinthegrainswith strainof5%(×80000)图5 经10%变形后试样晶内位错(×80000)F ig.5 Dislocationinthegrainswithstrainof10%( ×80000) (2)胞状位错上述5组试样随变形量的增大,位错密度也不断增大,位错分 布也开始由晶界附近逐渐向晶粒内扩展,并形成胞状结构。位错密度由晶界附近向晶粒内部的扩展 表明,即使在最佳变形条件下,随着变形程度的增大,晶粒的形状也会发生较大的变化。而胞状亚 晶的出现则证明,在晶粒内部各处局部的变形主要是通过位错运动来协调,当变形量较大时,还出 现了孪晶。图6是孪晶界选区电子衍射图。由衍射分析及计算可知,图7中的平行条纹是孪晶,孪 晶对位错的调节变形起到一定的辅助作用。当变形量较大时,位错之间形成缠结,因而限制位错运 动。孪晶的出现可使位错改变方向,从而进一步变形。图6 孪晶晶界选区电子衍射图Fig.6 Selectedzoneelectrondiffractionphotographo nthetwinboundaries图7 孪晶的TEM照片Fig.7 TEMphoto graphofatwincrystal4 结 论(1)位错密度随变形量的增加而提高,退 火状态时位错密度较低。(2)利用透射电镜试验,证明了20CrMnTi退火后为铁素体+珠 光体。(3)晶内位错表态为“曲折”形的位错线,经变形后在局部高密度位错区,位错呈网状缠 结,并形成胞状结构,同时有孪晶出现,这种胞状结构的出现大大提高了钢的强度。20CrMnTi钢的位错密度及晶体结构@程万军$吉林大学材料科学与工程学院!吉林长春 130025
@高占民$吉林大学辊锻工艺研究所!吉林长春 130025
@黄良驹$吉林大学辊锻工艺研究所!吉林长春 13002520CrMnTi钢;;X射线衍射 ;;位错密度;;晶体结构;;位错形态采用X射线衍射法及新的线性分析理论,准确地测量了不 同应变量时20CrMnTi钢的位错密度,分析了应变量与位错密度的关系。结果表明:位错密 度随变形量的增加而提高,退火状态时位错密度较低。透射电镜试验证明了20CrMnTi退火 后的组织为铁素体和珠光体,晶内位错表态为"曲折"形的位错线,变形后形成胞状结构,同时有 孪晶出现。胞状结构的出现大大提高了钢的强度。<1>陈明伟,单爱党,林栋梁.Fe3Al基合金超塑性变形过程中位错结构的演化
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<2>张静江,王滨,奚建法,沈佳球.高锰低温钢晶体结构及位错形态研究.机械工程学报,1998,34(6):23-26.
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<2>张静江,王滨,奚建法,沈佳球.高锰低温钢晶体结构及位错形态研究.机械工程学报,1998,34(6):23-26.
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