材料的内耗及表征

材料的内耗及表征——缺陷的内耗表征——点缺陷的内耗——零维缺陷标签:材料科学；工程材料—化学成分—分析；工程材料—物理性能试验收藏顶[0]发表评论(0)编辑词条bcc中的间隙点缺陷是零维缺陷，一种为基本点缺陷：如自间隙和外来间隙、空位、替代原子等，另一类称复合点缺陷：如间隙原子对、替代-间隙原子对、空位对、空位-间隙对等。在无外力时，这些点缺陷处于无序分布状态，施加外力时，晶体学位置的能量状态出现差异，点缺陷将重新分布，称为应力有序。交变应力作用下，缺陷的这种应力有序过程是一种微扩散行为。由弛豫时间和扩散系数的关系可求出D：这里τ是弛豫时间，H为扩散激活能。（1）体心立方金属中的间隙原子内耗——Snock峰在α-Fe中，应力诱发碳，氮等间隙原子微扩散是C，N在α-Fe中八面体间隙的应力感生有序引起，称Snock峰，是斯诺克在20世纪40年代首先发现，并给与解释。其峰高与间隙原子数n成正比，如果发生沉淀，峰高随至下降，峰高反比于沉淀量，可推测沉淀机制，可研究间隙原子在bcc金属中的溶解度脱溶沉淀的动力学过程。图11.2-13显示间隙原子在bcc晶体中处于八面体（虚线）的中心1处，应力作用下，间隙原子可从或的位置来回跳动，产生Snock峰。体心立方金属中各种间隙原子的斯诺克弛豫的参数列于表11.2-1中。体心立方金属中各种间隙原子的斯诺克弛豫的参数①（2）体心立方中的替代—间隙原子对的内耗——复合点缺陷Snock峰在α-Fe中加入Mn，Cr，Mo，V，Ti等置换原子，使N于这些置换原子成为偶极子，或称s-i对的点缺陷，也可引起s-i弛豫峰，由于其结合能比Fe-N高，故其Snock峰的峰温和激活能高于Fe-N。见表11.2-2。α-Fe合金中N的s-i弛豫峰间隙原子与位错的结合能为0.5eV，所以V，Ti加入可于位错争夺间隙原子，阻止Cottrell气团的形成。（3）沉淀动力学的研究Fe-0.84%（原子分数）Ti-N系统在低的N浓度时，在380℃显示一个Ti-N原子对的Snock峰，随N浓度的升高，在240℃另一个内耗峰显示，被认为是Ti-2N的复合峰。在保持380℃峰的条件下，经等温时效，发现380℃峰降低和最终消失，并在120℃出现另一个内耗峰，经电镜检查，试样中已有TiN化合物析出，可见120℃与TiN化合物析出有关。利用380℃内耗峰的消长我们可以研究TiN化合物的预沉淀动力学。在450℃时效不同的时间，380℃峰随时效时间延长而逐渐下降，如图11.2-14所示。℃（T-N）内耗峰的变化按照Wert经验方程C（t）/Co=exp[-（Dt/A）n]（11.2-43）式中，C（t）为母相在t时刻间隙N原子的浓度，Co为原溶质浓度，D是扩散系数，A为Avrami指数。由于正比于C（t），则有按[对lgt在不同的时效温度作图表示在图11.2-15。ZC对lgt关系得到n～1.5。由于该沉淀相的形貌类似与调幅结构，并在后期长大有t3关系，对期相变机制是否属Spinodal分解不能确定，现的到n～1.5的动力学指数，对照Spinodal分解的动力学解可见，其n=1，因而此沉淀过程必非Spinodal分解，而是形核长大的沉淀过程。（4）置换原子引起的内耗——Zener峰1943年曾纳（Zener）首先在单晶α-黄铜（Cu70Zn30）中以620Hz频率在400℃处发现一个明显的内耗峰，具有弛豫峰的性质，其弛豫激活能为1.5eV。以后诺维克（Nowick）在α-AgZn单晶合金中的[111]方向，以500Hz弯曲振动法测量，获更为明显的类似的Zener峰，如图11.2-16所示，图中曲线上的数字是合金成分Zn的摩尔分数。]方向内耗类似的峰在体心立方、面心立方和密排六方等20种置换固溶体合金和离子固溶体中普遍存在。由于Zener峰靠近晶界峰，通常要用单晶来测量。因为单个原子的置换不破坏对称性，应无内耗，Zener认为是由溶质原子对产生畸变，无应力时为无序排列，有应力时可再取向，产生应力感生内耗。理论得到弛豫强度∝n2，此点与试验一致，可用于研究扩散，求激活能，沉淀过程等。Zener峰亦是置换原子对的复合点缺陷内耗峰。（5）面心立方晶体中的间隙原子内耗——Rozin峰1953年洛辛（Rozin）和芬尔斯坦（Finkelshtein）用1Hz低频在含碳（0.30%）Cr25Ni20奥氏体钢中发现300℃和650℃处存在二个内耗峰（图11.2-17）。在氢气中退火碳含量从0.3%下降到0.08%，如碳完全脱除，300℃峰消失。故300℃峰应由固溶体中碳间隙原子所引起。650℃回火后二个内耗峰开始下降，到800℃回火300℃和650℃都峰降到最低，以后随回火温度升高，峰值升高，达1200℃回火后二个峰又恢复到原来高度，原因是800℃前碳化物析出，使固溶体中的碳含量下降，300℃峰下降，而800℃回火后，碳化物重新溶解，固溶体中的碳含量也随之增加，300℃亦随之升高。650℃峰可证明是由晶界的黏滞流动所引起（见非共格的晶界内耗）。Hz）在面心立方的Cr18Ni8不锈钢、Fe-18.5%（质量分数）Mn、Fe-25.4%（质量分数）Mn、Fe-36%（质量分数）Mn高锰钢、镍铝合金及纯镍中都发现间隙原子在面心立方中引起的内耗，也发现内耗峰高与C的溶解量（重量百分数）成线性关系的规律，说明Rozin峰是表征面心立方中间隙原子引起微扩散的一个普遍的规律。面心立方晶胞的中间位置的间隙原子有对称的畸变，通常不能由应力有序产生内耗，但由于合金元素和空位在间隙位置周围的存在，组成一种复合点缺陷，造成畸变的不对称，则在应力作用下产生应力有序过程，从而引起内耗。综上所述，点缺陷引起内耗的基本条件是：缺陷在晶体内部引起不对称的畸变，在外应力作用下，通过点缺陷的微扩散，缺陷的应力有序，产生弛豫型的内耗。材料的内耗及表征——缺陷的内耗表征——线缺陷（位错）的内耗——一维缺陷内耗标签:材料科学；工程材料—化学成分—分析；工程材料—物理性能试验收藏顶[0]发表评论(0)编辑词条（1）博多尼（Bordoni）峰的特征1949年博多尼（P.G.Bordoni）首先以40Hz频率，测量了冷加工面心立方金属（Cu，Ag，Al，Pb）从4K至室温范围的内耗，在80K处发现一个稳定的随频率升高而峰温向高温移动的稳定的内耗峰。图11.2-18是铜单晶受不同变形的内耗情况。铜单晶不同应变下的内耗其特征为：1）单晶，多晶，高纯金属都有，故与点缺陷无关。2）Q-1随变形量而增加。3）低温退火峰高略有下降，经高于再结晶温度退火后，此峰消失。4）低应变Q-1与应变无关；高应变Q-1与应变有关。5）杂质，辐照，时效使Q-1下降，峰温TP降低。6）频率增加，TP增加，有弛豫型特征。7）峰宽，说明非单一的弛豫。8）存在低温侧的次峰和高温侧二个峰。（2）位错内耗的本质实验显示，不论是否存在波多尼峰，对所有的金属在低温和中温都可以测量到随温度升高而增大的内耗，这是位错对背景内耗的贡献。对各温度下退火的纯铜单晶背景内耗与应变振幅的关系测量如图11.2-19显示，可见在低振幅下，背景内耗与振幅无关，而在高振幅下，背景内耗与振幅有关。此情况显示，背景内耗由二种不同的机制。因此通常把内耗分成两个分量：δ=δ1＋δH（11.2-46）从图11.2-19还可看出，随温度升高，背景内耗升高，同时与振幅有关内耗的起始振幅随之减少，δH分量提前产生。（3）K-G-L理论此理论由科勒（Koehler）提出，后由格拉那托（Granato）和吕克（Lucke）完全，至今是分析位错内耗的基本理论。可由图11.2-20来阐明。应力初期，位错从钉扎初期的a→b→c，如应力不超过c的范围，则是阻尼共振型的，弛豫的和与振幅无关的内耗；当应力处于c→d→e时位错从钉扎处脱钉，此时如应力消失，位错收缩，沿d→e→f→a重新被钉扎，这种情况下的内耗是静滞型的，与振幅有关。（4）δ1和δH的计算按在交变应力下强迫阻尼振动，式（11.2-27）可写成式中，ξ为沿x方向对其平衡位置的位移，A为单位长度位错线的有效质量，第一项代表惯性力，B为阻尼系数，第二项为阻尼，C是位错的线张力，第三项则代表回复力，b是柏氏矢量，σ是作用在滑移面上的切应力。1）低应变部分δ1由式（11.2-48）确定式中，d=B/A，为共振频率，l为位错钉扎长度，A是位错总长，，，（b=Fo/σo），铜单晶内耗与应变振幅的关系外应力增大和减小情况下钉扎位错的脱钉和回复的过程2）高应变部分δH与振幅有关，以位错脱钉点缺陷模型解释，以迟滞回线的面积△W方法计算。，Ld是弱钉间距的平均值，C2=Γ/G=Kbη/Ld，K是弹性常数的各向异性和样品取向有关因子。材料的内耗及表征——缺陷的内耗表征——界面内耗——二维缺陷内耗标签:材料科学；工程材料—化学成分—分析；工程材料—物理性能试验收藏顶[0]发表评论(0)编辑词条（1）非共格晶界内耗用低频扭摆法测量退火纯铝（99.99%Al）多晶内耗，在285℃附近获得一个内耗峰，用单晶测量则无此峰。此峰的激活能为34kcal/mol（1.5eV），与Al扩散激活能相等，表明是一种受铝扩散控制的弛豫峰。晶界内耗峰是弛豫型内耗，由晶界的黏滞引起。与单晶相比，多晶的模量在晶界内耗峰的温度范围内，有显著的下降，这是滞弹性行为的特征。图11.2-21是铝单晶和多晶在0.8Hz下的内耗随温度的变化；图11.2-22是其模量的变化。Al的晶界内耗Al的单晶和多晶的模量这种晶界峰在许多不同结构的纯金属中都可见到，如Cu（fcc），Fe（bcc），Mg（hcp）等，是一个普遍存在的峰，峰温均接近在结晶温度，激活能等于或低于自扩散激活能，显示对晶界上的杂质很敏感。图11.2-23是几种纯金属的晶界内耗峰的测量结果。几种金属的晶界内耗对晶界内耗的测量，可用于研究晶界强度及合金元素对晶界的作用，如Mo中加人O，N，C使峰温下降，激活能H下降，晶界结合力降低，表面能降低，晶间强度下降，使晶界变脆等。晶界弛豫内耗峰是晶界具有黏滞性的有力证据，对晶界激活能的测量有助于晶界强度的了解，特别在合金元素对晶界的作用。例如钼中含少量的氧、氮或碳等元素时，引起合金晶界峰的峰温和激活能都比纯晶界峰要小，而且激活能大小的次序和引起脆化的程度有一定的联系，激活能越小的越脆，可能是激活能越小，晶界的结合力和表面能越低，即晶间强度越低，使裂缝在晶界容易生成引起脆断。而在铁中存在碳时，铁碳合金的晶界峰激活能为85cal/mol，比纯铁的晶界峰的激活能49kcal/mol大1倍，铁碳合金不显示脆性。这些表明，晶界内耗的测量可以用于表征晶界的脆性。（2）共格界面的内耗Worrell用电磁激发共振发，测得Cu-88%（质量分数）Mn的fct马氏体相变后的孪晶，700Hz下在0℃附近存在一个10-2数量级的内耗峰。退火后孪晶不断消失，Q-1不断下降，解释为孪晶界面上点缺陷的钉扎，类似于位错钉扎。Mn-Cu合金的内耗与模量图11.2-24是该合金的低频内耗下，内耗和模量随温度变化的情况，在-150～225℃的温度范围内显示二个内耗峰，-75℃峰的峰稳随频率从0.1Hz、0.5Hz、2.5Hz变化而向高温方向移动，具有典形的弛豫内耗性质，通过频率变化按1.3.2节所述，可得到的激活能在0.50～0.63eV之间，是孪晶界产生的内耗。另一个内耗峰在温度170℃附近，峰温不随频率而移动，峰高却岁频率的升高而下降，该峰处于马氏体相变温度，是相变引起的内耗，将在已后的第6节中讨论。孪晶晶的高阻尼性质已在机械、仪器和舰艇的消震中得到广泛的应用，Mn-Cu合金的螺旋浆可使潜艇的噪声降低3～5dB，大大提高了潜艇的作战能力。类似的孪晶内耗峰在Mn-Fe，Mn-Ni-Cu-Au，Fe-Pt，Co-Pt，Cr-Mn，In-Th和钛酸钡陶瓷等材料中存在。孪晶阻尼峰的测量已成为表征材料孪晶高阻尼性质的基本而必需的手段。材料的内耗及表征——相变内耗标签:材料科学；工程材料—化学成分—分析；工程材料—物理性能试验收藏顶[0