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多晶材料高温大变形细观力学行为研究

吴艳青  
【摘要】: 温度、晶粒大小、应变速率的不同组合下,材料会呈现复杂的力学行为。本文主要针对未经细化晶粒处理的金属多晶材料,试验和数值模拟相结合,研究高温变形中材料微结构演化及细观粘塑性力学行为。 研究选用自然时效淬火态的LY12铝合金,进行了一系列不同温度和应变速率下的单轴拉伸试验,480℃下,观察到与传统细晶超塑性特征区间相反的行为: 较高应变速率下,动态再结晶使晶粒细化,促进了晶界滑移,亚晶界控制的晶内位错蠕变是晶界滑移的主要协调机制。原始晶界上产生少量液相,形成薄的固液共存粘性层并包围细化的晶粒,沿晶断裂主要发生在无粘性层的细晶粒间;而在较低应变速率下,三叉晶界位错攀援—蠕变协调机制松弛晶界滑移产生的应力集中,晶界上产生较多液相,有利于晶界滑移进行。厚的固液共存粘性层环绕长大的晶粒,被拉断的粘性相为断口细丝状物质。 试验发现:480℃下LY12经历低应变速率拉伸后,将其冷却至室温,性质会发生极大变化:流动应力只有普通室温屈服应力的十分之一左右;延伸率比通常条件下增加一倍左右。室温下呈现出良好的塑性加工特性。该现象与高温拉伸速率、温度、冷却方式强烈相关。从析出相角度探讨微观变形机制,可以推断:控制LY12的析出相有可能大幅度提高材料的室温变形能力。 利用TEM、SEM分析手段,观察到一定温度和应变速率区间内率相关与率无关变形的位错组态区别,及晶界对位错的不同作用。进而从晶界能量角度解释率相关变形的原因。 在试验研究基础上,利用Chaboche粘塑性模型模拟高温下(480℃)、不同应变速率的单轴拉伸。数值结果表明,颈缩的位置及发展过程受拉伸应变速率影响,完全均匀变形在总变形中实际占份量较小,而似稳流动阶段的分散不均匀性的相互牵制与协调,使率敏感材料得以在接近均匀的状态下经受大的变形。 在宏观模拟结果基础上,通过建立包含晶界影响区的多晶模型,对宏观拉伸试样颈缩微区的细观变形过程进行了数值模拟分析。结果显示:晶界通过促进剪切带晶粒转动而使局部变形不均匀性降低,而通过抑制非剪切带晶粒转动使晶界协调变形的作用增大;从克服晶粒互锁角度看,增大晶界相对厚度使晶粒相对运动更容易。这些分析对晶界工程学中对材料进行晶界设计和晶界控制提供了参考。 通过考虑晶界损伤,进一步对拉伸试样破坏单元的动态沿晶断裂过程进行了数值模拟分析。从数值结果发现,沿晶损伤单元达到一定数目,材料代表性单元的整体行为才呈现软化,沿晶破坏加速某些方向而减小另一些方向变形局部化发展。


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1 吴艳青;多晶材料高温大变形细观力学行为研究[D];西北工业大学;2003年
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