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AZ系镁合金PLC效应实验和机理研究

曾绍锋  
【摘要】:为了从宏观规律和微观机理深入研究探讨镁合金的PLC效应,以便进一步丰富和完善镁合金的塑性变形理论,为镁合金的塑性加工实践提供理论参考,本文选用航空航天及工业领域常用的AZ系挤压镁合金为研究对象,系统地对镁合金在系列温度和应变速率下进行了拉伸试验和微观组织结构观察,研究了镁合金在塑性变形过程中发生PLC效应的条件、内在规律和微观机理,建立了包含PLC效应发生机制的粘塑性本构模型,并对其进行了数值模拟。主要工作总结如下。 系统地对AZ31、AZ61和AZ91三种镁合金在较宽的温度区间和应变速率范围内进行了系列的拉伸试验,结果表明,AZ31没有观察到PLC效应;AZ61在中温区间发生了并不明显的PLC效应;而AZ91镁合金在一定的应变速率(ε=1.11×10~(-4)s~(-1)~1.67×10~(-3)s~(-1))和一定温区(T=248~423K)内发生了PLC效应。进一步系统地研究了固溶态AZ91镁合金产生PLC效应的条件及影响因素,发现产生锯齿屈服的临界应变量ε c随形变温度升高而减小,而随着应变速率增加而增大。锯齿屈服所表现的锯齿波类型呈“A”型或“A+B”混合型,与应变速率高低有关。此外,还显示了具有DSA的典型宏观特征,即出现锯齿屈服、屈服应力平台、应变速率敏感系数为负值、异常的加工硬化速率及其“蓝脆”现象。 采用McCormick模型中锯齿波的临界应变量ε c、应变速率ε和变形温度T之间的关系,计算得出固溶态AZ91镁合金产生PLC效应的溶质原子扩散激活能为140.7634kJ/mol。该值与Al原子在Mg基体中的扩散激活能非常接近,经综合分析,提出了该合金所产生PLC效应的微观机制主要是Al溶质原子以“空位扩散”的方式偏聚在位错周围形成Cottrell气团进而钉扎位错的结果。 进一步系统地研究了溶质原子浓度变化及第二相(β-Mg17Al12)析出对AZ91镁合金PLC效应的影响。经定量及定性分析结果表明,Mg17Al12析出相含量及颗粒大小对AZ91镁合金的PLC温区范围、应力跌落幅度等产生很大影响。发现析出相粒子与位错的交互作用也是控制PLC效应的一种重要机制。进而通过热处理或等径角挤压工艺制备不同晶粒尺寸的AZ91镁合金,从溶质原子气团对可动位错钉扎的微观机理解释和探讨了晶粒尺寸对发生PLC效应的临界应变量、最大应力振幅和锯齿数的影响规律。 在前述实验研究的基础上,把粘塑性统一本构模型应用于阐述镁合金的PLC效应产生机制,引入溶质原子浓度与位错相互作用的定量关系,对Yaguchi提出的粘塑性本构模型进行改进,构建了适用于AZ系镁合金PLC效应的理论模型。并用多岛遗传算法(MIGA)和序列二次规划(SQP)方法相结合的优化策略对材料参数进行了优化识别,得出了AZ91镁合金5个温度下的材料参数,数值模拟的曲线与实验结果吻合得很好。


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