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工程材料断裂微观机理的研究与球铁优化组织设计

戴品强  
【摘要】: 本文首先对材料断裂文献进行综述,了解断裂微观机理研究的过去成就、现状和发展,确定本文研究的内容为工程材料断裂的微观机理,侧重裂尖微区位错行为和纳米尺度上微裂纹形核与扩展过程及微观组织的影响,断裂微观过程与宏观力学行为的关系,为工程材料的强韧化提供理论依据。本文最后根据球铁断裂微观机理研究的结果,对球铁进行优化组织设计,以期显著提高球铁强韧性。 本文主要采用透射电镜或扫描电镜动态拉伸方法,原位观察工程材料断裂的微观过程。在透射电镜中原位观察裂纹与位错的相互作用、裂尖晶体结构变化和纳米级微裂纹形核与长大过程。在扫描电镜中原位观察球墨铸铁微微裂纹萌生与扩展过程,从而能更深入地探讨断裂的微观机理。 本文首先系统地研究了工业纯金属(Fe,Al,Ti和Mg)断裂的微观过程,发现所研究的工业纯金属断裂过程裂尖均首先发射位错,并离开裂尖向前运动、在裂尖留下无位错区,位错反塞积在五位错区的端部,反塞积位错群一般呈封闭状包围无位错区。在保持恒位移过程中,裂尖位错发射与运动还会持续进行一段时间,位错运动的点阵阻力越小,位错发射与运动持续的时间越长。 首次较系统地观察了不同结构金属在较长时间扩展过程中,裂尖无位错区尺寸、位错反塞积群的变化,发现裂尖无位错区的长度随外加应力的增大而增加,而在恒位移过程中,却随裂尖位错的持续发射和运动而减小。材料的点阵阻力越小,无位错区中长度越大。工业纯铝中位错反塞积群前方存在多系滑移。在裂纹扩展过程,反塞积位错群发生变化,可以沿原来方向继续向前运动,也可能改变运动方向使无位错区的形状发生变化,后来发射出的位错可以在原五位错区中塞积,并可作为位错源在后续的加载中发射位错。 金属薄膜拉伸过程中,微裂纹可以在主裂纹顶端连续形核扩展,也可以在无位错区中不连续形核扩展。在试样较厚区可以通过滑移先形成带状薄区,或Z字形薄区。裂纹在带状薄区中可以直线扩展,也可以呈Z字形扩展,而在Z字形薄区中裂纹只能呈Z字形扩展。 首次发现工业纯钛裂纹扩展过程裂尖前方的微孪晶,微裂纹穿过微孪晶,呈台阶式扩展。首次发现裂尖前方晶界对裂尖发射的位错有排斥作用,裂尖前方的晶界可以向晶界两侧晶粒发射位错,位错从晶界发出后迅速离开晶界向前运动,形成晶界无位错区,首次提出晶界无位错区的概念。 首次发现纯镁裂尖变形以单系滑移为主,其断裂过程是滑移减薄,形成层状结构,然后裂纹垂直于层状结构扩展。纯镁断裂时裂尖前方可能发生局部解理开裂。 摘 要 浙江人学博1:学位论文 采用透射电镜动态拉伸、原位观察 ICrl SNigTi不锈钢形变与断裂过程,发现不 锈钢变形时,晶界和晶内位错源均可产生位错,并沿各自的滑移系运动。晶界可以 发出全位错,也可以发出不全位错。当晶界发出不全位错,并向晶内运动时,在晶 界与不完全位错之间产生层错,层错宽度随不全位错的向前运动而增大。 不锈钢断裂时,裂尖首先发射位错,并离开裂尖向前运动,裂尖前方留下无位错 区,位错反塞积在无位错区的端部,无位错区是应变很高的异常弹性区,随着裂纹 的扩展,无位错区逐渐发生晶体碎化和转动。 不锈钢裂纹前方的晶界可以吸收裂尖发出的位错,同时向相邻晶粒发射位错,位 错发射后迅速离开晶界向前运动。首次发现晶界无位错区,观察到微裂纹穿越晶界 的动态过程。纳米级微裂纹可以在主裂纹顶端连接形核扩展,也可以在无位错区中 形核、扩展。裂尖前方可能发生形变孪晶,裂纹沿孪晶界扩展。 采用透射电镜动态拉伸、原位观察了H68黄铜断裂微观过程,发现黄铜断裂时, 裂尖位错发射及运动与不锈钢相似,裂尖存在无位错区和反塞积位错群,纳米级微 裂纹可以在主裂纹顶端形核、连续扩展,也可以在无位错区中形核、不连续扩展。 首次发现黄铜裂尖前方形变孪晶,微裂纹在各个孪晶中形核、扩展,然后相互连 接,使裂纹呈Z字形扩展。首次发现黄铜裂尖无位错区中可能产生微孪晶,纳米级 微裂纹在孪晶中形核、扩展。 采用透射电镜动态拉伸、原位观察了钢中珠光体断裂的微观过程,首次深入研究 了不同位向珠光体团中微裂纹的萌生与扩展过程,首次发现珠光体层片和拉伸轴相 对取向对裂纹萌生与扩展有重要影响,当层片平行拉伸轴时,微裂纹在渗碳体中萌 生,扩展方向垂直于珠光体层片,通过渗碳体和铁素体交替断裂而扩展:当珠光体 层片垂直拉伸轴时,微裂纹在铁素体中萌生,并在铁素体中以裂纹萌生一长大一连 接方式扩展;在珠光体团边界上,微裂纹在铁素体相中萌生并扩展,遇到渗碳体时 扩展方向发生偏转;铁素体断裂时裂尖发射位错,裂尖存在无位错区和反塞积位错 群;不同取向的层片可使裂纹扩展方向发生偏转。珠光体中的渗碳片可以发生塑性 变形。 首次采用透射电镜动态拉伸,原位观察了板条马氏体断裂的微观过程,发现板条 马氏体断裂的微观过程是微孔洞萌生、长大与连接过程,微孔洞在板条晶内通过局 部位错运动、减薄而形核,微裂


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