AZ31B镁合金动态力学行为的研究

摘要

镁合金具有密度低、比强度和比刚度高、良好的铸造性能、较强的电磁屏蔽能力以及易于再生利用等一系列独特的优点，被誉为“21世纪最具发展潜力和前途的材料”。其结构件在汽车、飞机、计算机、通讯等领域获得了日益广泛的应用。由于具有良好的延展率和较高的强度等优点，AZ31B变形镁合金是目前应用最广泛的挤压变形镁合金。在镁合金的应用中，冲击与循环等动态载荷的作用不可避免，因此对变形镁合金的动态力学行为与组织结构之间关系的研究，对变形镁合金结构件的安全设计及合理使用具有重要的指导意义。
　　本文主要针对AZ31B变形镁合金挤压棒材的动态拉伸、快速冲击和低周疲劳行为进行了研究，探讨了不同载荷条件下的塑性变形机制以及织构对变形机制和动态力学行为的影响。研究结果表明，具有{0001}//ED织构的样品（轴向样品）在普通拉伸条件下，其真应力-真应变曲线呈现下凹形，而具有拉伸轴沿<0001>-<11-20>和<0001>-<10-10>织构分布的样品（径向样品），其真应力-真应变曲线为直线形;而在动态拉伸条件下，大量{10-12｝拉伸孪生的开动导致了真应力-真应变曲线中平台的出现，并且随着孪生数量的增加平台宽度也增大，轴向样品曲线平台出现在屈服前，而径向样品曲线平台出现在屈服后。由于{10-12}拉伸孪生、{10-11}压缩孪生、基面滑移、柱面滑移、锥面滑移的CRSS的不同，导致其参与变形的程度和所起作用的不同，Schmid因子对各种变形机制启动起重要作用，这是具有不同织构样品在动态拉伸过程中产生不同力学行为的主要原因;在超快速拉伸条件下，轴向样品的屈服强度、断裂强度、总应变量均随着应变速率的增加而增加。应变速率越大，样品发生脆性断裂的倾向性也越大。在快速冲击载荷下，轴向样品和径向样品的屈服强度、断裂强度、总应变量均随着应变率的增加而增加，并且对应{10-12}拉伸孪生的数量也增加。
　　对轴向样品进行大应变幅循环变形，发现在拉-拉循环变形中拉伸阶段的最大应力值随着循环周次的增加而减小，而压缩过程中的最大应力值随着循环周次的增加而增加;在压-压大应变幅循环变形过程中，拉伸阶段和压缩阶段中的最大应力值均随循环周次的增加而增加。拉-拉大应变幅循环变形中，真应力-真应变滞回曲线在卸载和反向拉伸阶段出现三个拐点，而压-压大应变幅下真应力-真应变滞回曲线在卸载和反向压缩阶段只有一个拐点。两种变形方式均在压缩过程发生{10-12｝孪生和反向拉伸过程发生去孪生行为，包申格效应对去孪生行为具有较大影响。
　　对AZ31B镁合金低周疲劳研究结果表明，在压-压非对称低应变幅疲劳条件下，在1.0％应变幅以下条件时，轴向样品呈现出一种连续的循环硬化特性，并且硬化率随着应变幅的增加而增大;而在1.0％应变幅条件下，应力幅随循环周次基本保持不变。在拉伸形变阶段的循环硬化导致了材料疲劳性能的不对称性，并且这种不对称性随着应变幅的增加而增加。疲劳过程中压缩和拉伸阶段不同的塑性变形机制是滞回曲线不对称的主要原因。在低应变幅下，位错滑移为主要塑性变形机制，是循环硬化的主要原因;而在较高应变幅下，孪生-去孪生为主要变形机制，是1.0％应变幅下应力基本不变的主要原因。在拉-拉非对称低应变幅应变疲劳条件下，原始挤压退火样品（原始轴向样品）除了0.3％应变幅外，在其它应变幅下的整个疲劳过程中均发生了弱循环硬化行为;而挤压比为RE=6.25的二次挤压样品（具有较弱的{0001}//ED织构的样品）在0.3％应变幅和0.5％应变幅下，在疲劳初期均呈现出循环软化，然后应力幅随着循环周次的增加基本不变;随着应变幅的增加，应力幅在整个疲劳过程中基本恒定。同一应变幅下，二次挤压样品的应力幅大于原始轴向样品的应力幅。原始轴向样品的滞回曲线在0.5％应变幅下开始呈现非对称性，而二次挤压样品的滞回曲线在0.7％应变幅开始为非对称性;且随着应变幅的增加，非对称性越来越明显。同一应变幅下，由于具有较强的织构，原始轴向样品滞回曲线的不对称性强于二次挤压样品。在拉-压对称低应变幅疲劳条件下，轴向样品从0.35％应变幅到0.75％应变幅呈现出明显的循环硬化现象;而在0.25％应变幅下，随着循环周次的增加，应力幅先增加而后基本保持不变。
　　在疲劳循环变形过程中，拉伸阶段的弹性应变均大于压缩阶段的弹性应变。同一应变幅下，压-压非对称低应变幅疲劳寿命最长，拉-压对称低应变幅疲劳寿命次之，拉-拉非对称低应变幅疲劳寿命最短。

目录

声明

摘要

第1章 文献综述

1．1 镁合金概述

1．1．1 常用镁合金及分类

1．1．2 镁合金应用

1．2 镁合金的塑性变形特点

1．3 镁及镁合金塑性变形机制

1．3．1 位错滑移

1．3．2 孪生

1．3．3 影响孪生的主要因素

1．3．4 晶界滑动

1．4 镁合金的织构

1．4．1 镁合金变形与织构的关系

1．4．2 影响镁合金织构的因素

1．5 镁合金的强化途径

1．5．1 固溶时效

1．5．2 细晶强化及形变强化

1．5．3 复合强化

1．6 镁合金强韧化原理

1．7 镁合金的快速冲击形变

1．8 镁合金的疲劳

1．8．1 疲劳分类

1．8．2 影响镁合金疲劳行为的主要因素

1．8．3 疲劳曲线(S-N曲线)

1．8．4 循环硬化与循环软化

1．8．5 变形镁合金力学行为的拉压不对称性

1．8．6 疲劳裂纹的萌生与扩展

第2章 实验方法及分析手段

2．1 实验材料与样品制备

2．1．1 实验材料

2．1．2 样品制备

2．2 组织结构、织构与取向分析

2．2．1 光学显微组织分析

2．2．2 扫描电镜观察

2．2．3 XRD(X-Ray diffraction)织构分析

2．2．4 透射电镜分析

2．2．5 EBSD分析

2．3 力学行为分析

2．3．1 拉伸实验

2．3．2 疲劳实验

2．3．3 快速冲击实验

第3章 AZ31B镁合金动态拉伸与动态冲击力学行为研究

3．1 引言

3．2 AZ31B镁合金的显微组织

3．3 AZ31B镁合金织构

3．4 AZ31B镁合金的动态拉伸力学行为

3．4．1 退火挤压棒材径向动态拉伸力学行为

3．4．2 退火挤压棒材轴向动态拉伸力学行为

3．4．3 挤压比为RE=12．75的二次挤压样品的动态拉伸力学行为

3．5 拉伸变形组织结构特征与变形机制分析

3．5．1 退火挤压棒材径向动态拉伸变形组织结构特征

3．5．2 退火挤压棒材轴向动态拉伸变形组织结构特征

3．5．3 断口形貌特征

3．5．4 变形机制分析

3．6 分析与讨论

3．7 AZ31B镁合金超快速拉伸力学行为

3．7．1 超快速拉伸力学性能

3．7．2 超快速动态拉伸变形组织结构特征

3．7．3 断口形貌分析

3．7．4 讨论

3．8 AZ31B镁合金快速冲击力学行为

3．8．1 快速冲击应变速率敏感性

3．8．2 快速冲击后微观组织

3．8．3 快速冲击后织构变化

3．8．4 讨论

3．9 本章小结

第4章 AZ31B镁合金大应变幅循环变形行为研究

4．1 引言

4．2 拉-拉非对称大应变幅循环变形

4．2．1 循环变形行为

4．2．2 循环变形组织

4．2．3 循环变形过程中的孪生-去孪生机制

4．3 压-压非对称大应变幅下循环变形行为

4．3．1 压-压非对称大应变幅下循环应力行为

4．3．2 压-压非对称大应变幅形变后样品金相组织

4．3．3 形变过程中的孪生-去孪生机制

4．4 分析讨论

4．5 本章小结

第5章 非对称载荷下AZ31B镁合金低周疲劳

5．1 引言

5．2 压-压非对称加载方式下AZ31B镁合金低周疲劳

5．2．1 疲劳行为

5．2．2 疲劳寿命

5．2．3 疲劳变形组织结构

5．2．4 分析讨论

5．3 拉-拉非对称加载方式下AZ31B镁合金低周疲劳

5．3．1 疲劳行为

5．3．2 疲劳寿命

5．3．3 疲劳变形组织结构

5．3．4 分析讨论

5．4 本章小结

第6章 对称载荷下AZ31B镁合金低周疲劳

6．1 引言

6．2 对称载荷下疲劳行为

6．3 疲劳寿命

6．4 疲劳变形组织结构

6．5 断口形貌分析

6．6 分析与讨论

6．7 本章小结

第7章 结论

参考文献

致谢

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