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Al-Zn-Mg合金塑性成形中电子风力和焦耳热耦合下的位错行为

张鹤雄  
【摘要】:电流辅助塑性成形是指在成形过程中对成形件施加电流,利用漂移电子与位错间的交互作用降低流变应力,促进位错运动,改善成形性能的一种塑性成形技术。与传统的热成形相比,电流辅助塑性成形可以有效降低成形温度,提高成形件塑性,提高成形质量,比传统的热成形更具技术优势与潜力。电流辅助塑性成形的机理是电子风力和焦耳热的耦合场与位错的交互作用,当前的物理检测手段能够观察到电流作用下位错密度降低、织构和析出相形态发生改变等现象,但尚缺乏对电子风力和焦耳热的耦合场与位错的交互作用更加系统与深入的分析,导致电流辅助塑性成形领域出现“现象丰富,基础理论和相关数学模型匮乏”的现象,这严重阻碍了电流辅助塑性成形技术走向成熟。本研究旨在探究电子风力和焦耳热的耦合场下的位错行为,包括电子风力对位错运动的促进和抑制作用之间的关系、电流与位错密度降低量之间的关系以及相关数学模型的建立、电流作用下“固溶原子-位错”和“析出相-位错”两种钉扎模型中位错行为的差异、电流作用下固溶原子的钉扎和位错脱钉之间的竞争行为以及相关数学模型的建立。本文的研究方法和主要研究结果总结如下:(1)利用柱体在压缩过程中,中心位置发生轴向应变,边缘位置发生径向应变的特点,设计出“漂流电子与位错相对运动方向平行”和“漂流电子与位错相对运动方向垂直”两种情况共存的实验体系,进而探究了漂流电子对位错滑移的促进和抑制作用之间的关系。研究发现在某一固定的系统中,漂流电子用于促进位错运动所消耗的能量与其用于抑制位错运动所消耗的能量之和趋于某一定值;研究还发现电流所引入的电子风力和焦耳热的耦合场可明显降低材料的位错密度,降低位错的塞积程度。(2)利用Hall-Petch模型中晶内强化和晶界强化区分表述的特点,建立了电流密度、初始位错密度、电流导致的位错密度降低量之间关系的数学模型。研究发现:漂流电子与位错的交互作用系数Cew(d)随平均晶粒尺寸减小而增大,漂流电子造成的晶内位错滑移阻力的降低量σew-In与平均晶粒尺寸无关,焦耳热对晶界的软化应力σJ-G(d)随平均晶粒尺寸的减小而增大。根据所建立的数学模型可知,随着平均晶粒尺寸变小,初始位错密度的提高,电流对位错密度的降低量增大。(3)基于上述电流作用下晶内软化和晶界软化行为的区分方法,采用同一成分的时效态和固溶态的两种样品,研究了电流作用下“析出相-位错”和“固溶原子-位错”两种钉扎模型中位错行为的差异。研究发现,在“固溶原子-位错”钉扎模型中,固溶原子将使漂流电子发生散射,极大的改变其运动方向,进而消耗部分电子风力,导致漂流电子对位错的作用减小,而在“析出相-位错”钉扎模型中,电流经析出相发生绕流,绕流后的漂流电子将继续作用于位错,导致漂流电子对位错作用的减小并不显著,所以漂流电子在“析出相-位错”钉扎模型中对晶内的软化程度大于其在“固溶原子-位错”钉扎模型中对晶内软化的程度。(4)基于屈服平台和Portevin Le-Chatelier(PLC)效应的产生过程中固溶原子与位错交互作用的特点,研究了电流作用下固溶原子钉扎和位错脱钉行为的竞争规律,建立了相关数学模型进行描述。研究发现上述两种行为在竞争过程中的优势或劣势不仅受电流密度的影响,还受变形阶段的影响,如电流密度为55A/mm2时,在屈服平台阶段,位错的脱钉行为在竞争中占据优势,而在加工硬化阶段(即PLC效应发生阶段),固溶原子的钉扎行为在竞争中占据优势;研究还发现,电流对位错等待时间的降低量与电流密度基本呈线性关系,其线性系数的绝对值随位错密度的增大而增大。


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