作者：杜健昌
早期对低温下铝基体中位错运动的研究主要集中于纯铝和变形铝合金的低温塑性变化。在低温下变形铝合金的塑性变形均匀性随强度的增加而明显提高。变形合金在低温下加工硬化能增加，加工硬化指数增大，铝基体的变形均匀性增强，导致合金的伸长率增加口。在低温拉伸试验中A319合金的屈服强度和抗拉强度升高，而伸长率却下降。OSAMU等通过反复变形热处理等方法使过共晶Al-Si合金在低温下的塑性提高。A356合金随着温度降低，断口组织中断裂的Si相数量增加，而断裂Si相的增加是影响A356合金低温伸长率的重要因素，但是GOKHALE A M等并没有阐述这种现象的原因。本课题通过对ZL101合金在低温条件下拉伸断裂后断裂Si相的数量、形貌和分布变化进行分析，解释了亚共晶Al-Si合金中断裂的Si相数量随温度降低而增加的原因，并进一步讨论了低温对ZL101合金塑性变形均匀性的影响。
1 试验方法
试验材料为ZL101合金，其化学成分见表1。合金在电阻炉内进行熔炼，熔化温度为730℃，Mg以中间合金的形式加入熔体中，并采用Al-5 Sr中间合金进行变质处理，然后，在搅拌精炼机中通入Ar气进行精炼搅拌，浇注成坯锭，最后，进行T6热处理。热处理工艺为525℃×8h固溶十淬火+165℃×6h时效。
按照GB/T 13239-2006标准制成拉伸试样，其中部分试样经过抛光后进行拉伸，用来观察拉伸过程中的位错滑移带。在20、-20和- 60℃环境下进行拉伸，拉伸试验机配备液氮冷却低温保温箱，试样在试验温度下保温15 min后进行拉伸，速率为2 mm／min。利用引伸计测量试样的应变，绘制出不同拉伸温度下的真应力一应变曲线。
在20℃和-60℃温度下拉伸断裂的试件中取样，利用TM3030扫描电镜观察试样的断口形貌及位错滑移带分布。在断口附近取样，经过手工研磨后在- 30℃下使用12 V电压进行双喷减薄，双喷腐蚀液成分为20%的高氯酸+80%的乙醇，然后利用透射电镜观察组织中Si相形貌及其附近塞积的位错分布情况。从断口到距断口4 mm处取样，经过镶嵌、研磨抛光后制成金相试样，利用OLYMPUS-GX51光学金相显微镜观察Si相的断裂形貌。利用OLYMPUS-GX51金相显微镜自带的定量分析软件，计算断口至内部2 mm处断裂的Si相颗粒所占总Si相的比例。
2 结果与分析
2.1 不同温度下Si相的断裂
ZL101合金在拉伸过程中发生塑性变形，对Si相产生应力使其断裂，从而导致合金发生断裂。图1为ZL101合金在不同温度下断裂的组织形貌。可以看出，ZL101合金主要由共晶组织和初生a-Al晶粒构成，共晶组织中的Si相为颗粒状和短棒状，并且断口附近存在解理断裂的Si相。20℃时断口附近只有少量的Si相断裂，断口远处的Si相断裂数量减少，在距离断口3mm处组织中很难观察到断裂的Si相（见图la）。-60℃时，断口附近存在大量的断裂Si相，随着距离的增加，断裂Si相数量缓慢减少，在距断口3 mm处仍能观察到断裂的Si相（见图lb）。
图2为不同温度下ZL101合金断口附近Si相断裂数量变化。可以看出，Si相的断裂数量随着温度的降低而增大。常温下的拉伸容易在断口处产生局部变形，仅断口附近Si相断裂形成应力集中而撕裂铝基体。低温下合金的变形均匀性提升，不易发生局部变形，从而使距离断口较远处的Si相发生断裂。
2.2位错运动对Si相断裂的影响
ZL101合金中Si相的断裂行为与铝基体中位错运动有重要关系。图3为Al-Si合金在不同温度下断口附近的位错滑移带分布情况。可以看出，在ZL101合金塑性变形过程中，铝基体内发生位错滑移，大量位错塞积在Si相边界产生应力集中，使Si相发生断裂。20'C时铝基体中仅有少量较浅的位错滑移带，断裂Si相的数量较少（见图3a）。-60。C时铝基体中位错滑移带数量增加且形态变深，同时断裂Si相数量增加．见图3b。综上所述，室温下合金在断口处发生局部变形．在断口附近非局部变形区中，单位滑移面上发生滑移的位错数量较少，此时，位错滑移带的形态较浅。随着温度降低，合金变形趋于均匀化，在非局部变形区中，单位滑移面上发生滑移的位错数量增加，此时，断口中的位错滑移带分布密集。
图4为ZL101合金断口附近的位错塞积情况。从图4可以看出，ZI．101合金在塑性变形阶段产生大量的位错，这些位错主要在Si相边界塞积。在20。C时，在Si相边界处塞积的位错数量较少，见图4a。在-60℃时，在Si相边界塞积的位错数量明显增加，并且分布密集，见图4b。
图5为ZL101合金中Si相断裂的示意图。在合金的塑性变形过程中，铝基体中发生大量的位错滑移，当受Si相的阻碍时停止运动。随着合金的形变量持续增加，位错在Si相处不断塞积，形成应力集中。铝基体中位错受到的阻力可以表示为：
式中，rP为点阵阻力(Peirls-Nabarro force)；τμ为位错应力场产生的阻力；τ'为其他对温度不敏感的阻力。点阵阻力τP的大小取决于原子的热振动状态，可以表示为：
式中，τo为不考虑热振动的点阵阻力；u为原子热振动幅度；a为派纳能垒之间的距离；r0为位错的中心半径。由式(2)可知，随着温度的降低，原子的热振动幅度“减小，位错所受的点阵阻力τp增大。τμ的大小可以表示为：
式中，a是试验常数；p为位错密度；6是柏氏矢量；μ是剪切模量。由式(3)可知，随着温度的降低，剪切模量μ增大，位错所受的应力场阻力τμ增加。在外加应力τ*的作用下，Si相受到位错塞积的作用力大小为：
式中，N为塞积群中位错的数量。当位错塞积产生的应力μc达到Si相的承受临界值时，Si相在最大切应力方向上发生解理断裂，即解理平面与滑移方向和滑移面成45。角。由式(1)～式(4)可知，随着温度的降低，Si断裂所需塞积的位错数量N增加。
2.3 温度对塑性变形均匀性的影响
图6为ZL101合金在不同温度下拉伸的真实应力应变曲线。可以看出，随着温度的降低，ZL101合金的强度和弹性模量E增加。合金的剪切模量μ与弹性模量E的关系可以表示为：
式中，E为弹性模量；v为泊松比。在低温下泊松比v略有降低。由式(5)可知，随着弹性模量E的增加，剪切模量μ增大。
铝基体中的位错运动受到低温的影响，导致ZL101合金的塑性变形均匀性增加。拉伸过程中合金在应力集中处发生局部变形，导致局部变形区产生大量的位错塞积和缠结。随着外加应力的增大，局部变形区位错密度lD的增加，由式(3)可知，位错应力场产生的阻力τμ
增大，从而使位错增殖和运动困难，此时非局部变形区产生大量位错运动，使合金整体发生塑性变形。低温下合金的剪切模量μ上升。由式(3)可知，随着位错密度ID增加，位错阻力τμ的上升趋势加剧，导致合金仅有较小的局部变形时，非局部变形区内便产生大量的位错并滑移，合金的塑性变形均匀性上升。
3 结 论
(1)随着温度降低，ZL101合金的塑性变形均匀性提高，从而导致拉伸断裂后合金组织中Si相的断裂数量增加。
(2)在ZL101合金塑性变形过程中铝基体内发生位错滑移，大量位错塞积在Si相边界产生应力使Si相发生断裂。在低温下，位错滑移阻力升高，使位错塞积产生的应力减小，即Si断裂所需塞积的位错数量增加。
(3)随着温度降低，ZL101合金的剪切模量增大，导致局部变形区位错应力场阻力随位错密度增大而上升的趋势加剧，因此当局部变形较小时，合金在非局部变形区产生大量的位错并滑移，合金的塑性变形均匀性上升。
4摘要
研究了ZL101合金在-60℃和20℃时拉伸断裂后组织中Si相的断裂行为。结果表明，ZL101合金在低温下拉伸断裂后组织中断裂Si相的数量增加。合金在塑性变形过程中产生大量位错滑移，位错在Si相边界塞积产生应力集中使Si相断裂。随着温度降低，ZL101合金的切变模量增大，导致局部变形区的位错应力场阻力随位错密度增大而上升的趋势加剧，因此，当局部变形较小时，合金在非局部变形区产生大量的位错并滑移，变形均匀性上升。
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