合金中锯齿形屈服现象的实验和理论研究

摘要

在一定的加载应变率和实验温度等条件下，许多合金材料在塑性变形过程中会出现反复的失稳现象，称为Portevin-Le Chatelier(PLC)效应。它表现为在应力-时间曲线的锯齿形起伏和局部应变-时间曲线的阶梯状发展，同时变形集中在试样局部区域并在表面形成变形带，称为PLC带。目前普遍接受的对PLC效应的解释是动态应变时效(dynamic strain aging)，即可动位错与溶质原子之间的动态钉扎和脱钉，然而，其中微观过程仍有待实验证实。这是力学和金属物理学交叉领域的非线性问题，也是跨越“微观-细观-宏观”的多尺度问题。PLC效应的产生将会带来两个严重的问题:一是在原本光滑的材料表面严重粗糙化，而且这种粗糙化不能通过喷漆等手段来进行掩饰;二是严重影响材料的力学性能，如降低疲劳周期和延展性等。这使得很多合金材料的应用受到了很大限制。因此，对PLC效应展开研究，揭示PLC效应的影响因素和深层机制，具有重要的理论意义和重大的应用价值。
　　 本文首先对PLC效应临界应变从直观物理机制开展了研究。通过相同加载应变率下改变实验温度和室温下改变加载应变率对铝镁合金的拉伸实验，观察得到了正常和反常两种临界行为。在低温或高加载应变率区间，临界应变随实验温度升高而减小或随加载应变率增大而增大，属于正常临界行为;在高温或低加载应变率区间，临界应变随实验温度升高而增大或随加载应变率增大而减小，属于反常临界行为。通过对比不同实验温度下的应力-应变曲线，分别定义了上包络线和下包络线。临界应变之前的应力在低温时服从下包络线，在高温时服从上包络线，锯齿形的应力曲线在上下包络线间起伏。还观察到两种方向的应力锯齿，在正常临界行为区间（低温和高加载应变率），应力锯齿的方向是朝上的;在反常临界行为区间（高温和低加载应变率），应力锯齿的方向是朝下的。根据应力锯齿的方向，提出了正常和反常两种临界行为机制。对于正常临界行为，临界应变之前可动位错没有被溶质原子钉扎，临界应变取决于第一次钉扎过程;对于反常临界行为，临界应变之前可动位错已经被溶质原子钉扎但未能脱钉，临界应变取决于第一次脱钉过程。结合动态应变时效，分别建立实验温度和加载应变率空间的正常反常临界应变模型，并取得了与实验一致的模拟结果。
　　 其次，研究了淬火后自然时效时间对铝镁硅合金中PLC效应的影响。实验发现，应力锯齿跌落幅值在自然时效0～2 h期间急剧减小随后基本保持不变。在自然时效0～1 h期间，合金强度、应力锯齿跌落周期和临界应变保持不变，应力锯齿跌落幅值统计呈现半边峰值分布，PLC带随着应变增大由A型变为B型;接着随着自然时效时间延长，合金强度、应力锯齿跌落周期和临界应变均明显增大，应力锯齿跌落幅值统计呈幂律分布，PLC带始终表现为A型。结合微观结构的析出时序和动态应变时效的分析表明，应力锯齿跌落幅值受基体中溶质原子浓度的影响，而其他特征规律则主要受强化效果明显的沉淀相影响。
　　 利用数字图像相关法对镍钴基高温合金中的PLC带进行了观测。结果表明，PLC带的宽度约4～4.5 mm，与拉伸轴之间的夹角约60°，PLC带内应变比平均应变高一个数量级，且左右两侧变形量不相等，PLC带外区域会出现弹性收缩。首次将剪切散斑干涉法引入到PLC效应的研究中，观察了PLC带的离面变形行为。成功观察了PLC带的形貌和传播特性，以及PLC带位置变更和倾角转向的变形演化。首次获得了高温合金中连续传播和间歇出现的两种PLC带以及多带共存的现象。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 Portevin-Le Chatelier效应的研究概况

1．2．1 PLC效应的来由

1．2．2 PLC效应的时域研究

1．2．3 PLC效应空域研究

1．2．4 PLC效应的微观机制研究

1．2．5 PLC效应的数值模拟研究

1．3 本文的工作

第2章 PLC效应临界应变行为机制的研究

2．1 引言

2．2 实验温度对PLC效应临界应变的影响

2．2．1 实验设置

2．2．2 实验结果

2．2．3 讨论分析

2．2．4 低温临界机制

2．2．5 高温临界机制

2．2．6 模型特点

2．3 加载应变率对PLC效应临界应变的影响

2．3．1 实验设置

2．3．2 实验结果

2．3．3 高加载应变率区间

2．3．4 低加载应变率区间

2．3．5 全局对比

2．4 本章小结

第3章 自然时效对PLC效应的影响

3．1 引言

3．2 实验设置

3．3 实验结果

3．3．1 时域结果

3．3．2 空域结果

3．4 时域分析

3．4．1 自然时效在微观尺度的影响

3．4．2 屈服强度和抗拉强度

3．4．3 应力锯齿跌落幅值

3．4．4 应力锯齿跌落周期

3．4．5 临界应变

3．5 空域分析

3．5．1 PLC带的形貌和传播路径

3．5．2 PLC带的传播速度

3．5．3 时空关联

3．6 本章小节

第4章 高温合金中PLC效应的研究

4．1 引言

4．2 数字图像相关法研究高温合金的PLC带

4．2．1 数字图像相关法

4．2．2 实验设置

4．2．3 实验结果

4．2．4 讨论与分析

4．3 剪切散斑干涉法在PLC效应研究中的应用

4．3．1 剪切散斑干涉法

4．3．2 实验设置

4．3．3 剪切量对观察结果的影响

4．3．4 PLC带的特征

4．3．5 一些特殊的空域行为

4．3．6 对比与讨论

4．4 剪切散斑干涉法观察高温合金中PLC带

4．4．1 实验设置

4．4．2 实验结果

4．4．3 一些特殊的空域行为

4．4．4 对比与讨论

4．5 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 全文工作总结

5．2 未来工作展望

参考文献

致谢

作者攻读博士学位期间发表的学术论文