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无氧铜不同加载路径下塑性变形机制

文章来源:《强激光与粒子束》编辑部   时间:2019-08-15 访问数:

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延性金属的塑性变形机制一直是力学工程与材料领域研究的重要课题。与弹性响应不同的是,塑性响应必然对应于材料微观结构的改变。长久以来,人们选择塑性应变作为内变量来描述微观结构的改变,然而研究表明,在不同应变率下将许多金属加载到同样应变水平,应力-应变率曲线将偏离线性,如图1(a)所示。美国洛斯阿拉莫斯国家实验室Follansbee等人指出,这种偏离是因为应变并非一个正确的内变量,若加载到同一位错密度水平而不是应变水平,则应力-应变率曲线将始终保持线性,如图1(b)所示,说明位错密度可以作为描述材料微观结构的正确内变量。本工作以高纯度无氧铜为研究对象,对其开展了不同应变、应变率水平的加载实验,采用新设计的实验装置实现了加载路径可控。采用新方法给出了回收样品中的位错密度和绝对零度下屈服强度,建立了二者之间的联系,揭示了不同加载路径下位错的演化机制。本研究结果为样品气炮加载实验装置设计,宏观位错密度测试以及基于位错机制的本构模型研究提供一定参考。

无氧铜不同加载路径下塑性变形机制

1  建立了一种加卸载路径可控的气炮加载实验技术

采用理论分析和数值模拟相结合的研究方法,对气炮加载实验装置展开设计,实现了加卸载路径可控。计算了气炮加载下一维应变加载过程和侧向稀疏过程产生的塑性功,给出了样品内部从加载开始到进入回收桶前全过程的应力随时间变化的历程,如图2所示。研究发现,样品在历经一维应变加载过程后,必然进入侧向稀疏过程,侧向稀疏与一维应变加载产生的塑性功之比正比于1/[2v0/(Y0)-3a0],其中v0为冲击速度、Y0为初始屈服强度、a0为材料常数,说明提高冲击速度和降低样品初始屈服强度均有利于减轻侧向稀疏效应。采用新设计的装置在0~10 GPa范围内开展了OFHC铜的气炮加载实验,有效控制了加卸载路径。回收到的样品形状规整,残余变形很小,样品中心没有发生传统加载方法观察到的大变形凹陷,如图3所示。

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2  建立了一种宏观位错密度的表征技术

目前用于测试位错密度的TEM和化学蚀刻等方法,一方面视场狭小,仅能表征样品局部位错密度,另一方面制样过程繁琐,容易造成原始样品微观结构的改变,使测试得到的位错密度不能反映真实情况。

    为解决上述问题,建立了基于X射线衍射线形分析的宏观位错密度表征技术。首先对样品进行X射线衍射实验,得到衍射线形,根据衍射线形求得衍射峰积分宽度。利用所得积分宽度结合理论衬度因子[3]绘制Williamson–Hall关系曲线,拟合得到样品中实际衬度因子C值,最后利用Warren–Averbach关系得到位错密度。对OFHC铜样品开展SHPB和气炮加载实验,利用该方法成功获得了样品中的宏观位错密度,如图45所示。

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3  建立了一种基于MTS本构模型的样品绝对零度下屈服强度拟合方法

目前根据实验得到的样品屈服强度,大多是在常温下获得,这种屈服强度含有温度效应,不能直接同材料的微观结构建立联系。为获得样品绝对零度下屈服强度,需要开展多次超低温实验,再进行数据外推,实验过程和数据处理都比较复杂,成本也较高。为解决这个问题,建立了一种基于MTS(Mechanical Threshold Stress)本构模型的样品绝对零度下屈服强度拟合方法,该方法将样品屈服强度的位错热激活效应和结构演化效应解耦,分别处理,对样品常温下的应力-应变曲线直接拟合即可获得绝对零度下屈服强度,如图6所示。得到绝对零度下屈服强度后,建立了绝对零度下屈服强度同位错密度、加载应变之间的关系,如图7所示。

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