施可琢 帥三三 雷力明 王 江 任忠鳴
(1.上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200444;2.上海大學(xué)省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200444;3.中國(guó)航發(fā)上海商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造有限責(zé)任公司,上海 200241)
磁場(chǎng)能有效改善材料的微觀組織和力學(xué)性能,因此已被廣泛用于科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)[1]。磁場(chǎng)對(duì)金屬再結(jié)晶、晶粒長(zhǎng)大、晶體形貌、組織均勻化、相變、織構(gòu)形成等均有影響[2-6],施加一定強(qiáng)度的磁場(chǎng)將影響材料內(nèi)位錯(cuò)的狀態(tài),進(jìn)而改善材料的塑性和強(qiáng)度等力學(xué)性能。近幾十年來(lái)的研究發(fā)現(xiàn),某些材料在磁場(chǎng)中會(huì)顯示出“磁致塑性”,其原因是磁場(chǎng)影響材料中位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。
磁場(chǎng)對(duì)金屬塑性的影響最早由Kravchenko等提出[1,7]。Alshits 等[8]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),磁場(chǎng)能促進(jìn)NaCl晶體中的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng),且這種作用已在堿金屬鹵化物中得到了證實(shí)。后來(lái),在原子水平上的磁致塑性效應(yīng)得到了廣泛研究。Molotskii等[2,9]將Granato-Lucke的模型[10]引入Kravchenko的理論框架[7],描述了電子云的黏度和位錯(cuò)段的振幅對(duì)位錯(cuò)內(nèi)摩擦的影響,并認(rèn)為磁場(chǎng)改變了順磁性雜質(zhì)的電子能態(tài)[11],從而增加了位錯(cuò)釘扎點(diǎn)的退釘扎率和位錯(cuò)自由段長(zhǎng)度[12]。
近年來(lái),有人研究了磁場(chǎng)對(duì)鎂[13]、鋁[7,14]和鈦[15-16]等固態(tài)金屬的位錯(cuò)、微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響,并采用透射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡和能譜分析研究了位錯(cuò)和磁致塑性[14,16-17]。然而,復(fù)雜的微觀組織和晶界對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用使多晶合金的塑性變形機(jī)制變得非常復(fù)雜。由于單晶具有較簡(jiǎn)單的微觀組織且無(wú)晶界,能更準(zhǔn)確地表征晶體內(nèi)的位錯(cuò)分布和變化。
因此本文選用單晶鋁作為研究對(duì)象,以便更直觀地揭示由磁場(chǎng)引起的位錯(cuò)變化與力學(xué)性能改善之間的關(guān)系。將單晶鋁在交變磁場(chǎng)中加熱,檢測(cè)加熱前后單晶鋁的拉伸性能和硬度;在靜磁場(chǎng)中測(cè)定單晶鋁的硬度并計(jì)算位錯(cuò)密度;探討磁場(chǎng)影響單晶鋁力學(xué)性能的機(jī)制。
采用改良的Bridgman方法[18]制備[001]取向的單晶鋁,其原料為純度99.99%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的高純鋁。交變磁場(chǎng)加熱爐的示意圖如圖1(a)所示。該裝置主要由加熱爐、磁場(chǎng)發(fā)生系統(tǒng)、溫度控制器和變壓器組成。待加熱的單晶鋁封裝在真空石英管中,爐溫由熱電偶控制,精度為±1℃。
圖1 在交變磁場(chǎng)中加熱(a)和在靜磁場(chǎng)中測(cè)定硬度(b)的示意圖Fig.1 Schematic diagrams of heating specimen in an alternating magnetic field(a)and measuring hardness in a static magnetic field(b)
為了揭示交變磁場(chǎng)和溫度對(duì)單晶鋁強(qiáng)度和塑性的影響,將試樣在交變磁場(chǎng)中加熱6 h后空冷,具體的試驗(yàn)參數(shù)如表1所示。采用Bruker Advance D8型X射線衍射儀以40 kV的加速電壓和40 mA的發(fā)射電流測(cè)定試樣的位錯(cuò)密度。采用MTS Criterion拉伸機(jī)在平行于[001]晶向的加載軸方向進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn),初始拉伸速率為3×10-4s-1,采用12 mm 夾式引伸計(jì)。拉伸試樣標(biāo)距為25 mm,橫截面尺寸為3 mm×6 mm。每組拉伸3個(gè)試樣。
表1 施加和未施加交變磁場(chǎng)加熱單晶鋁的溫度和時(shí)間Table 1 Temperatures and durations of heating the single crystal aluminum with and without the application of alternating magnetic field
此外,為了研究靜磁場(chǎng)對(duì)單晶鋁塑性的影響,采用非磁性硬度測(cè)量裝置在靜磁場(chǎng)中測(cè)定單晶鋁的硬度。該裝置由永磁體和定制的非磁性維氏硬度計(jì)組成,能確保硬度測(cè)量的精度不受永磁體的影響,其示意圖如圖1(b)所示。通過(guò)采用不同的永磁體獲得0、0.2、0.5 和0.6 T 的靜磁場(chǎng)強(qiáng)度,試驗(yàn)力0.98 N,加載時(shí)間15 s。為了分析單晶鋁在靜磁場(chǎng)中測(cè)定硬度后位錯(cuò)的變化,在49 mL HCl+47 mL HNO3+4 mL HF的混合溶液中蝕刻試樣1~2 s,然后在光學(xué)顯微鏡下觀察試樣表面的位錯(cuò)腐蝕坑。
通常,金屬材料的塑性與位錯(cuò)密度密切相關(guān)。本文通過(guò)觀察試樣表面的位錯(cuò)腐蝕坑來(lái)揭示單晶鋁中的位錯(cuò)與塑性之間的關(guān)系。單晶材料中,位錯(cuò)處的能量較高,易被腐蝕。由于各向異性,晶體被腐蝕后將顯現(xiàn)不同的幾何輪廓,據(jù)此可確定單晶的取向,如(100)、(110)、(111)晶面被腐蝕后分別顯示為方形、矩形和三角形的凹坑[1,19]。因此,該方法可用于定性表征金屬材料中的位錯(cuò)密度和分布。
圖2為有蝕刻凹坑的單晶鋁試樣在掃描電子顯微鏡下的形貌。圖2(a)為低倍下位錯(cuò)腐蝕坑的分布,比較均勻。圖2(b)為位錯(cuò)腐蝕坑的高倍圖像,其輪廓類似于正方形,表明是單晶,取向?yàn)椋?01][19-20]。
圖2 單晶鋁位錯(cuò)腐蝕坑的低倍(a)和高倍(b)形貌Fig.2 Lower-magnification(a)and higher-magnification(b)views of dislocation etch pits in the single crystal aluminum
圖3為施加和不施加交變磁場(chǎng)加熱至不同溫度空冷后單晶鋁的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率。從圖3可見,在0.1 T交變磁場(chǎng)中加熱可提高單晶鋁的強(qiáng)度和塑性,250和325℃加熱單晶鋁的屈服強(qiáng)度分別提高了49.3%和28.1%(圖3(a)),抗拉強(qiáng)度分別提高了14.1%和2.6% (圖3(b)),斷后伸長(zhǎng)率分別提高了24.7% 和17.2%(圖3(c))??梢?,在交變磁場(chǎng)中加熱能使單晶鋁的強(qiáng)度和塑性均得到改善。
圖3 在不同強(qiáng)度磁場(chǎng)中于不同溫度加熱6 h空冷的單晶鋁的力學(xué)性能Fig.3 Mechanical properties of the single crystal aluminum heated at different temperatures for 6 h in different intensities of magnetic fields,then air cooled
金屬材料的力學(xué)性能與其位錯(cuò)密度密切相關(guān)[15]。圖4為未加熱和在0.1 T交變磁場(chǎng)中不同溫度加熱后空冷的單晶鋁的X射線衍射圖譜。
圖4 未加熱和在0.1 T交變磁場(chǎng)中不同溫度加熱后空冷的單晶鋁的X射線衍射圖譜Fig.4 X-ray diffraction patterns of the single crystal aluminum not heated and heated at different temperatures in magnetic field with intensity of 0.1 T,then air cooled
顯然,在交變磁場(chǎng)中加熱后,單晶鋁的衍射圖譜發(fā)生了顯著變化,其半高寬參數(shù)可用來(lái)定量表征位錯(cuò)密度[15-16]。通常,采用Dunn 公式[21]根據(jù)半高寬計(jì)算位錯(cuò)密度:
式中:ρ為位錯(cuò)密度;l為半高寬;b為Burgers常數(shù)。圖5(a)為施加和未施加交變磁場(chǎng)加熱的單晶鋁的半高寬。通過(guò)計(jì)算得出,與未施加交變磁場(chǎng)加熱的單晶鋁相比,在0.1 T交變磁場(chǎng)中于250和325℃加熱的單晶鋁的位錯(cuò)密度相應(yīng)增加了7.6%和8.3%。圖5(b)為在交變磁場(chǎng)中加熱前、后單晶鋁半高寬的差值??梢钥闯?,在交變磁場(chǎng)中加熱的單晶鋁的半高寬差值明顯大于僅經(jīng)過(guò)加熱的單晶鋁。可以推測(cè),在交變磁場(chǎng)中加熱的單晶鋁位錯(cuò)密度增大,產(chǎn)生了位錯(cuò)強(qiáng)化和磁致塑性效應(yīng),因此其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率均有所提高。
圖5 加熱溫度和交變磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)單晶鋁半高寬(a)和半高寬差(b)的影響Fig.5 Influence of heating temperature and alternating magnetic field intensity on the full width at half maximum(a)and the difference in the full width at half maximum(b)for the single crystal aluminum
為研究磁場(chǎng)對(duì)單晶鋁塑性的影響,在不同強(qiáng)度靜磁場(chǎng)中測(cè)定了單晶鋁的硬度,結(jié)果如圖6所示。隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度從0增加到0.6 T,單晶鋁的硬度從28.0 HV0.1 降低到了24.6 HV0.1,表明由于磁致塑性效應(yīng),靜磁場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致單晶鋁的硬度降低。
圖6 靜磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)單晶鋁硬度的影響Fig.6 Effect of static magnetic field intensity on hardness of the single crystal aluminum
在一定范圍內(nèi),位錯(cuò)密度的增加能改善塑性,導(dǎo)致硬度降低[17],即硬度較低的材料通常具有較高的位錯(cuò)密度。位錯(cuò)處的能量較高,易被腐蝕,采用合適的腐蝕方法可觀察到材料表面的位錯(cuò)腐蝕坑,可根據(jù)位錯(cuò)腐蝕坑的數(shù)量評(píng)估單晶鋁的位錯(cuò)密度和塑性。從圖7(a)可以看出,在靜磁場(chǎng)中測(cè)定硬度的單晶鋁有更多位錯(cuò)腐蝕坑,根據(jù)圖7(a)統(tǒng)計(jì)了位錯(cuò)腐蝕坑的數(shù)量。圖7(b)為位錯(cuò)腐蝕坑數(shù)量與換算后的位錯(cuò)密度。可以看出,隨著靜磁場(chǎng)強(qiáng)度從0增大至0.6 T,單晶鋁中位錯(cuò)腐蝕坑的數(shù)量和位錯(cuò)密度均增大,因此可以推斷,硬度的降低與由靜磁場(chǎng)引起的位錯(cuò)密度增加有關(guān),位錯(cuò)密度的增大導(dǎo)致了單晶鋁在受壓縮時(shí)的塑性改善。通常認(rèn)為,靜磁場(chǎng)能降低位錯(cuò)形核能、加速位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)、增大位錯(cuò)密度,并促進(jìn)內(nèi)應(yīng)力釋放[12]。因此,單晶鋁塑性的提高可能與靜磁場(chǎng)提高單晶鋁內(nèi)位錯(cuò)的可移動(dòng)性有關(guān)。
圖7 靜磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)單晶鋁中位錯(cuò)蝕坑的形貌和數(shù)量(a)及位錯(cuò)密度(b)的影響Fig.7 Effects of static magnetic field intensity on pattern and quantity of dislocation etch pits(a)and dislocation density(b)in the single crystal aluminum
在原子尺度上,磁場(chǎng)導(dǎo)致的位錯(cuò)密度變化可歸因于電子自旋狀態(tài)的改變[17,22]。鋁是順磁性金屬,其原子核外電子具有順磁性特征,單晶鋁中的位錯(cuò)或其他障礙同樣具有順磁性特征[14]。當(dāng)位錯(cuò)與順磁性障礙之間的距離足夠?。ㄐ∮?0-9m)時(shí),位錯(cuò)的釘扎中心與障礙物之間的自由電子極易形成自由基對(duì)。
位錯(cuò)與障礙物之間形成的自由基對(duì)具有兩種不同的自旋狀態(tài),即自旋方向相反的單重態(tài)(S態(tài))和自旋方向相同的三重態(tài)(T態(tài))[16],通常自由基對(duì)處于S態(tài)。在這種狀態(tài)下,自旋磁矩被抵消,位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)需要更大的能量,導(dǎo)致塑性降低[12,23]。與S態(tài)相比,T態(tài)能量較低,更為穩(wěn)定,對(duì)應(yīng)于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙較少,材料具有較好的塑性。
磁場(chǎng)通過(guò)解除S態(tài)與T態(tài)間的轉(zhuǎn)化障礙來(lái)影響自由基對(duì)的形成動(dòng)力學(xué),從而導(dǎo)致T態(tài)自由基對(duì)的增多[24]。Salikhov 等[25]提出了電子對(duì)自旋狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)化的機(jī)制,稱為“Δg機(jī)制”。該機(jī)制認(rèn)為,由于磁場(chǎng)中電子對(duì)的Lande因子(g)有差異,從而產(chǎn)生Larmor進(jìn)動(dòng)頻率差,進(jìn)而改變電子對(duì)的自旋狀態(tài)。進(jìn)動(dòng)頻率表達(dá)式[25]:
式中:B為磁感應(yīng)強(qiáng)度,μ為電子磁矩;h為普朗克常數(shù);ωp為進(jìn)動(dòng)角頻率。當(dāng)處于S態(tài)的電子對(duì)受到磁場(chǎng)作用時(shí),Lande因子發(fā)生變化(Δg約為10-4~10-3),使得電子對(duì)從S態(tài)向T態(tài)轉(zhuǎn)換的頻率提高(從0 增大至10-9~10-8Hz)[16,26]。
此外,磁場(chǎng)也影響位錯(cuò)的自由段長(zhǎng)度,從而影響材料的可塑性[11]。磁場(chǎng)中位錯(cuò)的自由段長(zhǎng)度可按如下公式[3]計(jì)算:
式中:L0為原試樣內(nèi)位錯(cuò)的自由段長(zhǎng)度;LH為磁場(chǎng)中試樣內(nèi)位錯(cuò)的自由段長(zhǎng)度;H為外加磁場(chǎng)強(qiáng)度;H0為促使位錯(cuò)從順磁性障礙處退釘扎的特征磁場(chǎng)強(qiáng)度。由式(3)可知,施加磁場(chǎng)后位錯(cuò)的自由段長(zhǎng)度增大。
可見,磁場(chǎng)能影響自由基對(duì)從S態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)門態(tài)并增加位錯(cuò)的自由段長(zhǎng)度,從而促進(jìn)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和增殖[27]??梢酝茢?,當(dāng)單晶鋁在交變磁場(chǎng)中加熱或在靜磁場(chǎng)中被壓縮時(shí),自由基對(duì)可能從S態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)門態(tài),且位錯(cuò)的自由段長(zhǎng)度增加。因此,位錯(cuò)可能更易脫釘、運(yùn)動(dòng)加快、密度增大[11]。這是單晶鋁的塑性和強(qiáng)度均得到改善的原因。
(1)在0.1 T交變磁場(chǎng)中于250℃加熱后空冷的單晶鋁,其屈服強(qiáng)度提高了49.3%,斷后伸長(zhǎng)率提高了24.7%,這主要是位錯(cuò)密度增大所致。
(2)當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度從0增加到0.6 T時(shí),在靜磁場(chǎng)中測(cè)定的單晶鋁的硬度降低了12.1%,位錯(cuò)蝕坑數(shù)量增加了33.1%,顯示出了磁致塑性效應(yīng)。
(3)施加磁場(chǎng)能促進(jìn)自由基對(duì)電子自旋狀態(tài)的改變,增加位錯(cuò)的自由段長(zhǎng)度,從而促進(jìn)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和增殖,改善了材料的塑性。