AZ31B镁合金冲击动态力学行为的实验和本构模型研究

摘要

镁合金是目前世界上可工程化应用的轻金属结构材料之一，大规模应用于航空航天、汽车构件、电子产品等领域，在其服役过程中不可避免会受到冲击载荷的作用。数值模拟技术是目前研究材料及结构在爆炸、高速冲击等动态载荷作用下力学行为的重要研究手段之一，而数值模拟技术中最为关键的问题是如何获得一个能真实反映材料响应的本构模型。然而，由于镁合金的晶体结构导致其微观变形机理十分复杂，其冲击动态本构模型的构建非常困难。近年来，已有不少学者基于对镁合金的冲击动态实验研究结果，建立了镁合金的冲击动态本构模型，然而已建立的模型主要是宏观唯象模型，缺乏对材料微观物理机理的考虑，预测能力有限。虽然也有少部分镁合金动态本构模型是基于微观变形机理来建立的，但这些模型依旧存在着变形机制考虑不完善、应变率敏感度考虑不合理等问题。 可见，目前镁合金的冲击动态本构模型研究还不够完善，有很大的局限性。为此，针对已有研究的不足，本文将对当前使用极为广泛的AZ31B镁合金进行系统的冲击动态力学实验研究，并基于实验研究结果建立镁合金的冲击动态本构模型。本文开展的创新性工作如下： 1) 对 AZ31B 镁合金进行了系统的准静态和冲击动态力学实验研究，揭示其宏观力学行为：首先采用MTS材料试验机对AZ31B镁合金进行了一系列的准静态单轴拉伸和压缩实验，获得了AZ31B的准静态拉伸和压缩应力-应变曲线，用以与冲击动态力学测试结果进行对比；然后，采用分离式霍普金森压杆（SHPB）装置对AZ31B镁合金进行了室温和高温冲击压缩加载实验，采用分离式霍普金森拉杆（SHTB）对AZ31B镁合金进行了室温冲击拉伸加载实验，研究了应变率、温度等对AZ31B镁合金冲击动态应力-应变响应的影响。 2) 对 AZ31B 镁合金进行了显微观察，研究其冲击动态变形的微观机理：首先采用扫描电镜对AZ31B镁合金冲击加载后的断口进行了观察，分析冲击载荷作用下镁合金的破坏机理；然后采用金相显微镜观察了AZ31B镁合金动态变形前后的金相组织变化，分析温度、应变率等对镁合金变形前后金相组织的影响；最后采用透射电镜对AZ31B镁合金动态变形前后的位错形貌进行了观察，分析温度、应变量等因素对AZ31B镁合金位错运动的影响。 3) 基于实验研究结果总结了镁合金冲击动态变形的微观机制，针对不同的应用范围分别建立了三类冲击动态本构模型： (1) 假定孪生和位错滑移两种变形机制中阻抗低者将主导镁合金的塑性变形。进而通过定义位错滑移和孪生的阻抗演化方程，建立了镁合金的冲击动态本构模型（即位错动力学模型）。该模型计算简单，能够对室温下镁合金的冲击动态应力-应变响应进行准确描述，具有较好的工程应用价值。 (2) 在晶体塑性理论的基础上引入率相关的应变率敏感度控制方程，并考虑温度对材料变形机制的影响，建立了新的镁合金冲击动态本构模型（即晶体塑性模型），并给出了模型的数值实现方法。本文使用该模型模拟了镁合金常温、高温动态加载下的应力-应变行为和室温冲击动态压缩加载下镁合金的孪晶体积分数演化规律，所得结果与实验结果的对比验证了模型的准确性。该模型考虑了镁合金冲击动态加载下变形的微观机理。 (3) 在热激活理论框架下考虑了孪生，建立了镁合金冲击动态本构模型。该模型保留了晶体塑性模型中对位错滑移和孪生运行的判断方式，可以考虑高温下镁合金的冲击动态力学响应；同时，该模型采用显式运算，大大降低了计算量，具有很高的工程应用价值。

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