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《西北工业大学》 2017年
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细晶镁合金的动态力学性能及变形机理研究

于霞  
【摘要】:镁合金由于密度低、比强度和比刚度高,在很多结构应用中很有前景。由于同时具有卓越的导电性、阻尼特性以及电子屏蔽性能,使得它们在通讯、电子、航空及航天等领域应用也很广泛。然而,耐腐蚀性差及断裂韧性低阻碍了镁合金的应用。而且,镁合金的密排六方晶体结构限制了其塑性变形的独立滑移系数量,这导致室温下镁合金的塑性较差。关于通过各种途径来提高镁合金的强度及韧性的研究很多。其中,通过等径通道挤压(ECAP/ECAE)使得材料得到晶粒细化是实现提高镁合金的强度及韧性的最流行的方法。目前,人们在关于镁及镁合金的研究中比较关注其微观结构和力学性能之间的关系。但是,加载应变率对镁合金这种轻型金属材料的性能影响的研究很匮乏。因此,对镁合金在大应变率范围内的力学响应及变形机理的探究显得尤为重要。本研究的主要目的是探索微观结构及加载应变率对镁合金材料力学行为和变形机理的影响。主要关注的力学性能包括材料的单轴压缩及拉伸性能、三点弯曲断裂性能及冲击性能。所做的主要工作及得到的重要结论简要概括如下:(1)利用等径通道挤压对一种热轧制态的工业镁合金AZ31B进行了大塑性变形处理以改变其微观结构。电子背散射衍射(EBSD)被用来表征原始材料及经过等径通道挤压的材料的微观结构。(2)测试了AZ31B镁合金在一个很大的应变率范围内沿轧制/挤出方向单轴压缩及拉伸性能。为了了解材料微观结构及加载方式对镁合金单轴压缩及拉伸性能的影响,对材料在两种加载方式下的屈服强度、极限强度及失效应变作了对比分析。结果表明,在压缩加载下,原始材料和等径通道挤压后的材料均对加载应变率不敏感,而且应力应变曲线呈现明显的“反曲”特征,这表明机械孪生主导了压缩加载下材料的塑性变形。所有的压缩试样均通过形成绝热剪切带并最终形成裂纹的形式发生了破坏。在拉伸加载下,屈服强度相对较高且呈现出很强的应变率敏感性,相对于原始材料,等径通道挤压后的材料的延展性得到很大提高。(3)分别利用电子万能拉伸压缩试验机及改进的分离式Hopkinson压杆对带单边裂纹的三点弯曲试样进行了I型准静态及动态断裂性能测试。断裂性能的研究主要针对两种不同初始微观结构的镁合金材料:一种是从热轧制镁合金板材上切取,另一种是对热轧制镁合金板材进行四个道次的等径通道挤压,然后在挤出的棒材上切取。数字图像相关(DIC)技术被用来测定裂纹尖端应变场,在试验结束后,电子背散射衍射被用来分析试样的织构演变。试验结果表明,细晶材料的断裂韧性高于粗晶材料。随着加载速率的升高,两种材料的断裂韧性增强。通过数字图像相关技术和数值模拟得到的裂纹尖端附近的应变场吻合很好。织构分析表明,在粗晶材料裂纹尖端前的韧带区域形成了拉伸孪晶,而细晶材料中并未出现这一现象。通过扫描电子显微镜(SEM)观察发现,在粗晶材料的断口上出现了大量的解理面和孪晶片层等脆性特征,而细晶材料的断口上则出现了被撕裂楞围绕的微孔洞等韧性特征。(4)对上述的两种材料进行了平板撞击试验。通过分析试样的自由面速度曲线得到了材料的Hugoniot弹性极限(HEL)及层裂强度。扫描电子显微镜被用来观察沿着层裂面产生的微孔洞,电子背散射衍射技术被用来观察回收试样中央横截面的织构分布。研究发现,层裂强度随着冲击速度的升高而提高。材料的初始微观结构对层裂强度只有很小的影响。在原始材料冲击加载过程中出现了弹性先驱波随冲击速度的减小而衰减的现象,但这一现象在等径通道挤压后的材料的冲击加载中并未出现。在研究的所有冲击速度下,原始材料的Hugoniot弹性极限高于等径通道挤压后的材料,而层裂强度正好相反。对于原始材料,层裂是由沿着拉伸孪晶晶界及普通晶界以脆性方式形成的微孔洞的形核与合并造成的;对于等径通道挤压后的材料,其层裂也是以微孔洞的形核与合并的形式发生的,不同的是该微孔洞多是以晶粒拔出形成韧窝的韧性方式形成的。等径通道挤压后,镁合金材料层裂强度的相对提高及相对偏韧性破坏的层裂过程对其在装甲保护领域的应用有重要意义。
【学位授予单位】:西北工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TG146.22

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