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《沈阳工业大学》 2015年
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高应变速率下几种镁合金动态力学性能研究

董阳  
【摘要】:在很多应用场合,静态力学性能已经不能满足冲击载荷作用下的镁合金零件设计需要。因此,研究镁合金在动态载荷下的力学行为具有非常重要的意义。为了揭示几种镁合金在高应变率下的动态力学性能、变形机制和失效行为,本文采用分离式霍普金森压杆装置(SHPB)对轧制态AZ31B镁合金板材,应变率在700s-1-3000s-1之间,对挤压态AM30镁合金型材,应变率在1000s-1-3000s-1之间,以及对传统压铸和真空压铸(-75kPa、-94kPa)的AT72镁合金,应变率在3000s-1-7000s-1之间的力学行为进行了动态压缩实验。本文还采用直接式霍普金森拉杆装置(SHTB)对普通压铸和真空压铸(-75kPa、-94kPa)AT72镁合金,应变率在400s-1-800s-1之间的变形与开裂机制进行了动态拉伸实验。此外,还采用承压环限制应变的方法对挤压态AM30镁合金,在高应变率下进行限制应变的动态压缩实验,应变大约控制在2%-18%之间。本文对经动态压缩实验或动态拉伸的铸态(传统压铸及真空压铸)及变形态(沿RD方向、TD方向和ND方向)镁合金的组织和力学性能变化规律进行了系统分析,分别采用光学显微镜进行了组织观察;采用扫描电子显微镜进行了断口形貌观察;采用透射电子显微镜对精细显微组织进行辨识,基于动态变形组织演变规律探讨了镁合金动态变形的失稳机制。结果发现:轧制态AZ31B板材在轧制的过程中形成的基面织构,使之在动态力学性能测试中表现为各向异性。沿RD与TD方向加载时,启动{2101}拉伸孪晶,表现出屈服现象。随应变率增加曲线上移,表现出应变率强化效应;沿ND方向加载时,{1101}压缩孪晶很难启动,表现为连续屈服。沿RD、TD和ND方向的动态断裂强度分别为364MPa、365MPa和308MPa。RD和ND方向试样断口形貌显示出舌状花样,TD方向显示出解理台阶,动态压缩的断裂模式为解理断裂。动态压缩变形时,变形局域化造成局部高温,发生局部的熔化和动态再结晶,裂纹沿着熔化区域、动态再结晶晶界和孪晶界扩展。与轧制态AZ31B相比,挤压态AM30型材在动态压缩过程中,沿ED和TD两方向动态压缩断裂强度分别为390MPa和345MPa,即ED和TD两个方向的动态力学性能相差不大,各向异性相对较小。在较低应变率下,两个方向的试样中都发现孪晶,但ED方向较多,TD方向较少且孪晶内颜色较深。对挤压态AM30型材采用承压环应变限制高速动态压缩实验,揭示了其动态变形过程中的组织演变过程:(1)在塑性变形阶段,c轴垂直于加载方向的晶粒发生{2101}拉伸孪生,其中ED方向较多,TD方向较少,此时试样金相组织在两个方向存在差异;(2)通过亚晶转动原始晶格取向的孪晶中再发生一次{2101}拉伸孪生,亚晶转动的不同时性使孪晶中形成细小的等轴晶;(3)等轴晶转动到同一方向(即c轴平行于加载方向),发生退孪生现象;(4)在变形过程中的变形局域化,形成局部绝热升温,局部高温处启动新的滑移系,滑移得以开动;(5)滑移产生位错,受位错缠结阻碍,变形应力继续上升,达到{1101}压缩孪生启动的临界分切应力,产生压缩孪晶。(6)孪生改变了晶格取向,启动新的滑移,滑移孪生交替进行。孪生机制为晶格转动,过程中会生成细小的亚晶,滑移将它们分离形成细小的等轴晶,在应力集中带形成由细小等轴晶组成的变形带;(7)当滑移和少量的压缩孪生无法继续提供变形量时,裂纹开始形成,在裂纹细小尖端的高应力集中区形成大量的压缩孪晶。(8)当滑移受阻和压缩孪生无法持续进行时,将导致材料失稳断裂,裂纹沿着脆化的和无法提供变形量的细小晶粒变形带延伸和扩展,最终发生断裂。与变形镁合金相比,压铸成形镁合金不会形成织构,但铸造缺陷使材料的动态力学性能降低,气孔的长大和贯穿是压铸AT72镁合金断裂的主要因素,其阈值成为材料断裂的阈值。普通压铸和真空压铸AT72镁合金(真空度:-75MPa、-94MPa),500s-1时的三种试样动态拉伸断裂强度分别为:76MPa、69MPa和70MPa;700s-1时,分别为:88 MPa、84 MPa和85 MPa。动态拉伸的真应力-真应变曲线随应变率上升均略有上移,呈现出轻微的应变率强化效应。动态拉伸的断裂模式为晶间断裂,动态压缩断裂应变率约为4300s-1,三种试样的断裂强度分别为:107MPa、107MPa和113MPa,动态压缩的断裂模式为准解理断裂。可见,在高应变率下,铸造缺陷的多少不是影响压铸AT72镁合金动态力学性能的主要因素,缺陷的有无是关键因素。镁合金的不同动态力学性能是由于微观上不同的变形机制造成的。沿轧制板材RD、TD方向和沿挤压型材ED方向压缩时变形机制为拉伸孪生,当孪生消耗殆尽完成退孪生后,变形机制改变为滑移;沿轧制板材ND方向压缩时,变形机制主要为滑移;沿变形镁合金挤压型材的TD方向,以及压铸镁合金任一方向动态变形时,各个变形机制协同作用;不过,对于压铸镁合金而言,铸态缺陷对动态力学性能的影响很大。
【学位授予单位】:沈阳工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TG146.22

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