位錯(cuò)滑移模型及其實(shí)現(xiàn)方法

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1、萬(wàn)方數(shù)據(jù)第33卷增刊12013年5月振動(dòng)、測(cè)試與診斷JournalofVibration，Measurement＆DiagnosisV01．33No．SlMay2013位錯(cuò)滑移模型及其實(shí)現(xiàn)方法’鄒曦，高永毅，李學(xué)軍，陳立峰(湖南科技大學(xué)機(jī)械設(shè)備健康維護(hù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室湘潭，411201)摘要對(duì)大量位錯(cuò)滑移模型及其實(shí)現(xiàn)過(guò)程進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合各種位錯(cuò)滑移模型的特點(diǎn)，描述了各模型力學(xué)參量的微觀機(jī)理，總結(jié)了一些具有代表性的位錯(cuò)滑移模型及其實(shí)現(xiàn)過(guò)程，為后續(xù)的位錯(cuò)滑移理論模型的研究提供參考。關(guān)鍵詞位錯(cuò)滑移模型；位錯(cuò)微觀機(jī)制；微觀機(jī)理；實(shí)現(xiàn)過(guò)程中圖分類號(hào)TGlll引言位錯(cuò)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中

2、所形成的相關(guān)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特征是決定材料宏觀力學(xué)性能的的內(nèi)在因素，最典型的微觀結(jié)構(gòu)特征是位錯(cuò)的分布具有空間周期性，即位錯(cuò)墻，位錯(cuò)胞等。位錯(cuò)滑移模型是彈塑性應(yīng)力場(chǎng)求解的前提與基礎(chǔ)。從19世紀(jì)末開始，位錯(cuò)滑移模型的建立已成為材料科學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一，并建立了描述不同微觀機(jī)制和力學(xué)參量的位錯(cuò)滑移模型。Ewing等[1]在研究金屬的塑性變形時(shí)就觀察到了位錯(cuò)現(xiàn)象，為位錯(cuò)滑移模型的建立奠定了一定的理論基礎(chǔ)。當(dāng)時(shí)對(duì)其機(jī)理的研究還是一片空白，對(duì)位錯(cuò)滑移現(xiàn)象的解釋也是非常模糊的。20世紀(jì)初期，Love等比1在連續(xù)介質(zhì)力學(xué)中首次引入位錯(cuò)的概念，提出了連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型，位錯(cuò)的現(xiàn)象開始逐漸被解

3、釋和研究。1934年，TaylorE3御首次提出刃型位錯(cuò)的概念，并與晶體塑性變形時(shí)的滑移過(guò)程聯(lián)系起來(lái)，闡明了晶體塑性變形的機(jī)理。開始用位錯(cuò)理論來(lái)解釋微觀變形問(wèn)題，但是在這個(gè)時(shí)期關(guān)于位錯(cuò)周圍變形場(chǎng)的定量計(jì)算問(wèn)題幾乎完全建立在彈性力學(xué)的基礎(chǔ)上。后來(lái)，Peierls[51建立了關(guān)于簡(jiǎn)單立方晶體中刃型位錯(cuò)的部分離散模型，該模型于1947年得到Nabarrro的發(fā)展，建立了著名的Peierls—Nabarrro位錯(cuò)模型[6]，這一工作的意義在于突破了彈性力學(xué)的范疇，初步處理了位錯(cuò)芯的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。Fore—man等u1在Peierls—Nabarrro位錯(cuò)模型的基礎(chǔ)上引．國(guó)家自然科學(xué)

4、基金資助項(xiàng)目(51175172)收稿日期：2012—11—15入一個(gè)可以控制位錯(cuò)寬度的可變因子a，提出一個(gè)可使得位錯(cuò)寬度可變的改進(jìn)位錯(cuò)模型。1939年，Burg—ers引入了另一種類型的晶體位錯(cuò)——螺型位錯(cuò)，提出了Burgers矢量的概念，指出Burgers矢量的意義在于判斷位錯(cuò)的類型，能夠反映位錯(cuò)區(qū)域點(diǎn)陣畸變總累積的大小，表示晶體滑移的方向和大小，推導(dǎo)了著名的Burgers公式口]。這些模型為位錯(cuò)滑移模型研究和微觀機(jī)理的解釋奠定了基礎(chǔ)。位錯(cuò)理論發(fā)展至今，大量的學(xué)者在上述位錯(cuò)模型的基礎(chǔ)上，建立起了描述不同微觀機(jī)制和力學(xué)參量的位錯(cuò)滑移模型，其目的都是希望運(yùn)用位錯(cuò)滑移模型來(lái)解釋

5、和描述微觀機(jī)理以及它的動(dòng)力學(xué)特性。位錯(cuò)滑移模型的實(shí)現(xiàn)方法是位錯(cuò)滑移模型建立不可或缺的一環(huán)；因此，怎樣實(shí)現(xiàn)位錯(cuò)滑移模型的變形過(guò)程，運(yùn)用什么樣的方法得到模型的動(dòng)力學(xué)特性，這些方法的運(yùn)用能夠帶來(lái)哪些好處和有價(jià)值的成果，是現(xiàn)在研究需要解決的問(wèn)題之一。筆者歸納總結(jié)了不同位錯(cuò)滑移模型及其實(shí)現(xiàn)過(guò)程，介紹了它們各自具有的優(yōu)點(diǎn)，也得到了一些有價(jià)值的結(jié)果。1基于位錯(cuò)連續(xù)分布理論和協(xié)同學(xué)原理建立動(dòng)力學(xué)模型為了描述金屬的塑性變形，20世紀(jì)80年代初，Nix等嘲提出了位錯(cuò)組合模型，把高位錯(cuò)密度區(qū)和地位錯(cuò)密度區(qū)看成兩種具有不同性質(zhì)的材料，認(rèn)為在各自區(qū)域內(nèi)的位錯(cuò)是均勻分布的。這為位錯(cuò)動(dòng)力萬(wàn)方數(shù)據(jù)增刊1鄒

6、曦，等：位錯(cuò)滑移模型及其實(shí)現(xiàn)方法87學(xué)模型的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，但是這兩個(gè)模型并沒(méi)有考慮位錯(cuò)胞尺寸的變化，不能解釋位錯(cuò)胞的產(chǎn)生和發(fā)展。Gittus等[10]建立了位錯(cuò)胞尺寸模型，利用建立在平衡熱力學(xué)基礎(chǔ)上的自由能極小原理，初步解釋了位錯(cuò)胞的產(chǎn)生和發(fā)展，但塑性變形過(guò)程是非平衡不可逆的過(guò)程；因此，高維林等利用建立在非平衡熱力學(xué)基礎(chǔ)上的耗散結(jié)構(gòu)和協(xié)同學(xué)原理論建立了一個(gè)位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)模型[1¨。該模型解決了傳統(tǒng)位錯(cuò)理論只能處理單個(gè)位錯(cuò)和簡(jiǎn)單排列的位錯(cuò)群的問(wèn)題，分析和模擬了恒速變形和靜態(tài)回復(fù)過(guò)程中位錯(cuò)組態(tài)演化過(guò)程及相應(yīng)應(yīng)力一應(yīng)變曲線和靜態(tài)回復(fù)曲線，著重闡明了位錯(cuò)胞的形成和發(fā)展，建立了一個(gè)發(fā)生

7、再結(jié)晶的臨界判據(jù)。2模擬位錯(cuò)斑圖形成的元胞自動(dòng)機(jī)一分子動(dòng)力學(xué)模型晶體材料在變形過(guò)程中，位錯(cuò)會(huì)呈現(xiàn)出錯(cuò)綜復(fù)雜的斑圖形式。為了從機(jī)理上解釋這些斑圖產(chǎn)生的原因以及變化，從20世紀(jì)80年代開始就提出了各種解析模型。1970年初，Holt提出不可逆動(dòng)力學(xué)模型。1982年，Kulhman—Wilsdorf等Eza]提出低能量位錯(cuò)模型。1985年，Walgraef等提出反應(yīng)擴(kuò)散等模型。1996年，Hahner[131提出概率性位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)模型。這些模型為解釋位錯(cuò)斑圖現(xiàn)象的產(chǎn)生和變化過(guò)程作出了貢獻(xiàn)，但是盡管這些解析模型能在一定假設(shè)的