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铝合金中Portevin-Le Chatelier效应的多尺度实验和机理研究

曹鹏涛  
【摘要】: Portevin-Le Chatelier (PLC)效应是合金材料在一定的应变率、温度或合适的预变形下所出现的特殊失稳现象。它表现为时域上的锯齿形应力屈服和空域上的应变局域化。对PLC效应的微观解释,目前被广泛接受的是动态应变时效(dynamic strain aging, DSA)理论,即可动位错与溶质原子之间动态的交互作用。PLC效应作为一个横跨宏观变形带、细观晶粒变形、微观位错运动的多尺度问题,长期得到学术界重视。铝合金以其较高的强度质量比、良好的耐腐蚀性等一系列优点,在国民经济的各个领域都获得了广泛的应用。但其在室温变形时的PLC效应却严重地降低了材料的可加工成形性能。因此,开展铝合金PLC效应的多尺度实验和机理研究具有重要的理论和现实意义。 本文首先基于数字散斑干涉法系统研究了Al-Mg合金和Al-Cu合金中的PLC效应,分析了加载应变率、试验温度、热处理方式、合金成分等条件对PLC效应的影响,并结合DSA微观机制,对上述现象进行了定性的解释。这部分工作侧重应力场的研究。接着借助红外测温法重点研究了Al-Mg合金中PLC效应的空域行为,讨论了PLC效应不同的温升模式,分析了带的倾角转向现象,并计算了带形成时带内的应变率及变形量。这部分工作侧重温度场的研究。然后使用透射电子显微镜观测了析出相的形貌、成分及其在不同情况下的分布形态,考察了随着应变的增加位错的增殖和演化过程,并探讨了位错与析出相的相互作用形式。最后综合宏观与微观的实验结果,提出了基于析出相与溶质原子共同作用的广义管扩散动态应变时效机制。 在PLC效应的时域行为方面,研究了应力跌落幅值、重加载时间和临界应变随应变率、试验温度、退火温度、淬火温度、时效、合金成分等参数的演化规律。应力跌幅的统计分析结果显示,随着应变率的减小、试验温度的升高或者Al-Mg合金中Mg含量的增加,PLC效应出现了从自组织临界性向混沌的转变行为。通过对淬火实验和合金成分实验各时域特征量的分析,发现析出相在PLC效应中也起到了重要作用。进一步的低温实验表明,没有溶质原子的参与,仅有析出相不能产生PLC效应。 在PLC效应的空域行为方面,基于实验获得的温度场数据,分析了三类PLC带的形成与演化过程,求得了局域变形带的带宽、倾角、传播速度等特征参数;发现了PLC效应的两种温升模式,并确定了带发生倾角转向的位置;实验和计算都表明,A类型带形成时不存在带外收缩,而B、C类型带形成时带外存在收缩变形,由此首次提出了将是否存在带外收缩作为定量划分PLC效应A、B类型带的标准。 在微观实验方面,通过透射电镜和能谱分析仪观测了析出相的形貌和成分;使用透射电镜验证了讨论淬火温度和合金成分的影响时对析出相含量的推断;显微观察发现,随着塑性变形的增加,位错密度逐渐增大,其形态从散布、缠结演化为胞状结构,这验证了位错的增殖机制;在正在发生PLC效应的试件中观察到可动位错与析出相相互作用的现象,说明析出相也参与了动态应变时效过程。 在机理研究方面,基于宏观实验分析和显微观测结果,综合考虑溶质原子和析出相两个方面的影响,对原有解释PLC效应的管扩散DSA理论进行改进,提出了广义管扩散DSA机制。并进一步指出,析出相对可动位错的运动只是起到类似林位错的阻拦作用,溶质原子的参与是动态应变时效产生必不可少的条件。


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