Page 24 - 理化检验-物理分册2018第四期

李华卫, 等: 基于拉伸变形本质行为的试验方法探讨

形, 即宏观的弹性变形中存在着非弹性变形 [ ３ ] . 作用力与原子间距并不是成正比关系, 这从本质上
文献[ ４ ] 发现了超高强度钢中的晶格微屈服现 反映了 Hooke定律的近似性而不是绝对性.弹性
象, 其 研 究 结 果 表 明: 规 定 塑 性 延 伸 强 度 R p ０．２ 为 性能与特征是原子间结合力的宏观体现, 而r 值非
１１６０MPa的 某 超 高 强 度 系 泊 链 钢, 以 ５．５× 常小, 在此情况下, 宏观上表现出的弹性性能呈现近
１０ s 的应变速率对其进行拉伸 试验, 拉 伸过程 似线性特征 [ ３ ] .
－１
－５
中的原位中子衍射测试结果显示其宏观线弹性阶段 工程中大多数金属材料为多晶体材料, 其中各
在应力为 ７００MPa 时,( ２００ ) 晶面族优先于其他晶面 个晶粒的空间取向是不同的, 而发生形变的晶体中
出现了非弹性变形, 即发生了微屈服 [ ４ ] .文献[ ５ ] 研 位错和缺陷的分布也是不均匀的, 存在明显的局部
究了氢对微屈服的影响, 对充氢 ０．０００８％ ( 质量分 成簇倾向.在外力作用下, 弹性变形尚小时微屈服
数) 的同类型超高强度系泊链钢( 充氢前其同批试样 首先在这些达到位错滑移条件的晶粒内开始 [ ９ ] .此
的 R p ０．２ 为 １１６０MPa ), 以 ５．５×１０ s 的应变速率 后随着应力的增大, 产生塑性变形的晶粒越来越多,
－５
－１
进行拉伸试验, 拉伸至 ５００ MPa 时发生脆性断裂, 塑性变形量也越来越大以至于宏观上可以观测到.
即该材料只呈现出了宏观线弹性特征.拉伸过程中 即多晶体中各个晶粒的塑性变形具有不同时性和不
的原位中子衍射测试结果显示其宏观线弹性阶段在 均匀性, 这种不均匀性不仅反映在同一晶粒内部的
应力为 ３００MPa时, 具有( １１０ ) 取向且平 行 于 拉 伸 不同区域、 不同晶粒之间, 而且也反映在试样的不同
方向( TensileDirection , TD ) 的晶粒, 即( １１０ )// TD 区域之间 [ ３ ] .因此, 理想的弹性是不存在的, 塑性变
取向的晶粒优先于其他取向的晶粒率先呈现了非弹 形是绝对的, 而弹性变形是相对或者近似的.
性变形, 即出现微屈服现象 [ ５ ] .该现象与文献[ ６ ] 中
的表述相一致, 即在外力作用下, 部分位错会先达到 ３ 拉伸试验过程中各阶段变形行为的本质
临界切应力而滑移( 产生微屈服), 值得注意的是位 众所周知, 根据非连续屈服试样的拉伸应力 Ｇ 应
错滑移不仅取决于促使位错开动的临界切应力, 同 变曲线特征, 为简单起见可将其大致分为 ４ 个阶段,
时也取决于位错的取向因子 μ [ ６ ] .文献[ ７ ] 关于位 即: 弹性阶段、 屈服阶段、 均匀塑性变形阶段、 颈缩阶
错滑移与弹性变形的表述则更为详细, 具有密排六 段.当然, 对于连续屈服试样, 其屈服阶段和均匀塑
方结构( hc p 的 αＧTi拉伸试样( 纳米长度的单晶试 性变形阶段可认为是一个阶段.由上述弹性的不完
)
样) 的弹性应变为 ２．６８％ , 原位拉伸过程中 随着应 整性和弹性的本质分析可知, 拉伸试验的宏观弹性
变的增加 αＧTi先后产生了 ３ 种不同 Bur g ers 矢量 阶段也存在微区塑性变形, 并贯穿于拉伸试验的各
的滑 移 位 错, 其 中 最 先 启 动 的 Bur g ers 矢 量 为 个阶段.塑性变形的主要机制为滑移和孪生, 而孪
１ / ３ [ １２１０ ] 的位错, 其在拉伸应变量很小时( 应变为 生能够提供的塑性变形量相比滑移来说是非常有限
０．４４％ ) 即开始滑移 [ ７ ] . 的, 在探讨塑性变形时该文主要考虑滑移的影响.
非弹性变形、 微屈服现象、 位错滑移均为塑性变 为此, 有必要引入以下两个公式 [ ３ ]
形的表现形式, 宏观线性阶段的微屈服现象研究最 ε＝ b ρ v ( １ )
多的材料当属铍材, 有研究者归纳出了铍材产生一 式中: ε 表示塑性应变速率; b 表示位错 Bur g ers矢
－６
ρ
个单位( １０ ) 微屈服σ m y s 与规定塑性延伸强度 R p ０．２ 量的模; 表示位错密度; v 表示位错运动速率.
[ ８ ] .事实证 m
的经验公式为: R p ０．２＝１７１．０＋２．７２８σ m y s æ τ ö
v＝ ç ÷ ( ２ )
明拉伸试验的弹性阶段确实存在着塑性变形, 弹性 è τ ０ ø
式中: τ 为作用于位错滑移面上的切应力; τ ０ 为位错
性能宏观上呈近似线性特征.
以单位速率运动所需要的切应力; m 表示位错运动
２ 弹性的本质
速率的应力敏感性指数.
弹性在微观上表现为原子间的作用力与原子间 ３．１ 颈缩阶段
为了叙述的方便同时也考虑到塑性变形的明显
A B
的位移, 对于理想晶体而言, 由公式 P＝ ２ ＋ ( 式
r r ４ 性, 先分析颈缩阶段的本质.为分析方便, 引入一个
中: P 表示原子间的作用力; r 表示原子间距; A 表 公式如下
示原子间吸引力常数, B 表示原子间排斥力常数, A d P ＝AdS －SdA ( ３ )
和B 均与原子本性和晶格类型有关) 可知, 原子间 式中: d P 表示拉伸过程中瞬时力值的增加量; A 表
２ ４ ０