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加載速度對位錯的影響

來源：   日期：2014-10-13 14:14:53   瀏覽次數：

當外載的條件發生變化時，如加載速度增大或溫度發生變化，材料的性能就和以前有了很大的不同。如低溫時，強度降低、材料變脆;原來在正常情況下不會出現的情況此時會突然發生，給生產和安全帶來很大的安全隱患。以前就發生過很多這樣的例子。隨著加載速度的增大，材料的斷裂韌性不發生大的變化，只是趨于降低，但幅度很小。當超過一定的速度后，材料的斷裂韌性將急劇升高，材料趨于塑性。無論是塑性變形還是發生損傷破壞，在微觀上都是由于位錯的運動造成的。現在我們分析一下加載速度對位錯運動的影響。
位錯是作用在材料上的力使得材料內原子發生相對運動，而使原來排列整齊的原子點陣發生偏移形成的一種線缺陷。當外力繼續作用促使位錯運動時將使晶體沿滑移面相對移動的區域不斷擴大。當位錯移出晶體時便給出一個滑移量，造成材料的永久變形，塑性變形就是大量位錯運動的結果。這是在普通載荷作用下的情況，高速加載時的位錯運動就會發生一些變化。
封切機高速載荷作用下位錯的形成密度比普通情況要高而且分布更加均勻，上面已經提到了形成密度增加的原因主要是加載時位錯形成的速率很高，而動態回復的速率相對較低，另外封切機高速載荷作用時應力偏量很高導致位錯源的數日增加。除此之外載荷作用的時間和強度也對位錯的形成有很大的影響。隨著壓力的提高，位錯的密度也會隨之增大。位錯的密度與載荷和作用力的平方根成正比，但是當載荷壓力達到100 GPa時，由于載荷作用產生的高溫在短時間內無法傳遞出去所以關系式將不再適用。
隨著載荷速度的提高，位錯變形的區域變小，位錯分支減少。形成這種情況的原因主要是，載荷加載速度比較快，此時生成的位錯增多，位錯移動加速、位錯移動主要集中在載荷作用的方向。增大加載速度，位錯速度基本上是呈線性增加。由于作用時間比較短暫，位錯向其他方向的發射減少，發生移動的位錯寬度減少，材料的塑性變形區域隨之減少。
在進行高速包裝梢密封切機剪切時，封切機剪切速度比較高。由于夾緊力的作用，包裝內各部分受力均勻，只在剪刃尖端附近材料有嚴重應力集中現象，因此產生的位錯滑移只局限在剪刃附近很小的范圍內。隨著位錯滑動，這時晶界就成為了位錯進一步滑移的壁壘，受阻塞的位錯大量堆積，當堆積位錯數量達到一定數值時，應力的集中就會使材料形成裂紋。高速封切機剪切時的封切機剪切速度比較高，位錯的移動速度增大，裂尖的位錯主要是刃型位錯，在短時間內來不及向周圍擴散，裂紋就沿著剪刃運動方向直線擴展，保證斷面比較平整。另外，材料的塑性變形也是由于位錯的運動形成的，封切機剪切時，裂尖的位錯向四周擴散減少，裂尖的塑性變形區域也相應減少。所以，包裝的塑性變形區域也只是在剪刃附近，而且范圍較小。這樣，包裝封切機剪切時的塑性變形減少，材料趨于脆性斷裂。封切機剪切斷面質量相應提高。
從以上的分析，我們可以得出下面的結論:包裝封切機剪切時，封切機剪切破壞主要是因為剪刃尖端附件材料的應力強度因子K11大于材料的臨界應力強度因子Km，導致形成的裂紋進一步擴展直至最后斷裂分離。在做高速封切機剪切分析時，材料的臨界應力強度因子Kn}就不可以用低速時的應力強度因子的計算方法進行計算，因為材料的臨界應力強度因子即斷裂韌度受速度影響而發生變化，高速時材料的斷裂韌度明顯低于低速時的斷裂韌度，在低速時材料的斷裂韌度受速度影響不大，當高于某一速度時，斷裂韌度隨速度的提高而急劇升高，即存在最低斷裂韌度，相對應的也存在最低斷裂韌度時的速度。在這一速度進行包裝的高速封切機剪切時，材料的斷裂韌度最低，材料的斷裂基本為全脆性斷裂，此時的斷面質量最好。在微觀方面，在封切機高速載荷作用下的材料內晶格滑移生成的位錯數量增大，而且密度更加均勻。生成的位錯在載荷作用下滑移，當滑移的位錯遇到晶界阻礙時發生位錯堆積現象，造成應力集中。當應力集中達到一定數值時，就會在晶界處發生穿晶斷裂。位錯的滑移速度隨著加載速度的提高而增大，形成的位錯在短時間內向其他方向的擴散減少。因此，裂尖的塑性區變小，材料趨于脆性斷裂，斷面質量較好。