AZ31镁合金轧制板材各向异性力学性能研究

在几种厚度的AZ31镁合金轧制板材上沿不同方向取样进行常温单向拉伸和压缩实验,研究了AZ31镁合金轧制板材的各向异性力学性能。基于晶体塑性理论,探讨了织构对金属板材宏观各向异性的影响。分析表明,轧制镁合金板材具有明显的各向异性力学性能及拉压不对称性。在轧制(RD)方向的抗压及抗拉屈服强度明显小于横向(TD),各个方向的抗拉屈服强度明显大于抗压屈服强度。不同轧制工艺对板材的力学性能影响较显著,主要表现在屈服应力不同和延伸率不同。基于实验结果与晶体塑性理论,本文从多角度分析了轧制工艺对AZ31镁合金各向异性力学性能及拉压不对称性行为的影响。     

耦合孪生晶体塑性模型硬化参数的灵敏度分析

基于经典晶体塑性理论,建立了耦合孪生的晶体塑性本构模型并进行了全隐式积分的数值实现.该本构模型采用饱和硬化法则,并采用孪生阻力与滑移硬化之间的正比关系来描述孪生对滑移硬化影响及孪生硬化行为.针对该本构模型的13个参数,结合各参数物理意义提出了参数的分类确定方法.以孪生诱导塑性( TWIP)钢Fe-22Mn-0.6C为例,着重对硬化参数的局部灵敏度进行了分析,研究了各硬化参数对宏观力学响应、孪生激活和演化的影响,根据变形机制的不同宏观变形过程可区分为孪生硬化阶段和孪生硬化失效阶段,进而给出了硬化参数确定的步骤及其建议取值范围.结果表明：初始滑移阻力与屈服极限线性相关,取值范围在80~160 MPa之间;孪生硬化指数增大使得孪生硬化阶段减弱,其取值范围应在0~3之间;孪生阻力与滑移阻力比值增大,则孪生增长率降低,硬化率拐点后移,直至拐点消失,其取值范围在1~1.3之间.     

密排六方金属锆及锆—4的疲劳变形机理及寿命预测

研究了锆及锆－４室温、４００℃和６００℃下疲劳机理,结果表明：室温下为｛＾－１０１０｝柱面滑移和｛＾１０１２｝,｛＾－１１２１｝,｛＾１１２２｝孪生变形;４００℃和６００℃下分别出现了锥面和基面滑移,首次建立了密排六方金属锆及锆－４的闰错组态与试验温度和循环应变幅之间的演化规律图,微观分析表明：有序分布的位错花样是疲劳位错稳态分布,是耗散结构自组织的表现。疲劳是不可逆能量耗散过程,循环塑性耗散应变     

ZK61镁合金锻造组织动态力学行为各向异性研究

利用分离式Hopkinson Bar技术,对ZK61镁合金锻造变形组织不同取向的圆柱试样进行动态压缩试验,结合宏观力学响应及微观分析方法,研究了ZK61镁合金不同取向试样的动态力学性能各向异性及变形机制.结果表明:在高应变率条件下,ZK61镁合金锻造变形组织TD及ND方向动态力学性能各向异性不明显,而RD方向与TD及ND方向相比,具有显著的动态力学行为各向异性特点;随着应变率的增加,不同取向试样中孪晶数量变化不同,且ND方向孪晶数量增加最为迅速,RD方向孪晶增加最为缓慢,而TD方向的孪晶迅速增加后明显减少;3个取向的动态力学行为各向异性主要由不同取向的塑性变形机制不同所致.     

晶界形貌、织构对AZ31镁合金各向异性的影响

采用金相观察、织构分析、拉伸实验等方法,研究了变形工艺、晶界形貌及织构对AZ31镁合金屈服强度及延伸率各向异性的影响.结果表明:轧制过程会使晶粒拉长而产生平直晶界,当拉伸应力方向与平直晶界走向成45°时,AZ31镁合金总是表现出低屈服强度和高延伸率;除了织构之外,晶界形貌也在一定程度上影响着镁合金的力学性能;当拉伸应力与平直晶界走向成0°或90°时,基面滑移的Schmid因子和拉伸孪晶是影响镁合金力学性能的主要因素.     

考虑孪晶内二次滑移的镁单晶细观本构模型

基于晶体塑性理论,建立了一个考虑滑移、形变孪晶以及孪晶内二次滑移的镁单晶弹-黏塑性细观本构模型,并在有限元软件ABAQUS的用户子程序UMAT中数值实现.利用该模型对镁单晶的室温平面压缩试验进行了模拟,研究了不同加载取向下镁单晶变形机制的演化规律.结果表明:镁单晶的变形机制与取向密切相关,其力学行为表现出强烈的各向异性特征;拉伸孪晶在特定取向下能够提供沿晶粒c方向伸长的变形,并引起晶粒的重取向;在某些变形状态下,当拉伸孪晶达到饱和体积分数后,孪晶内会出现二次滑移.     

双峰组织ZA21镁合金棒材的拉–压不对称性及变形机制研究

本文通过挤压及热处理分别制备了两种具有完全再结晶晶粒的ZA21镁合金棒材,分别为晶粒尺寸成大小两种状态分布的双峰组织以及晶粒尺寸均匀的均匀组织,对这两种棒材沿轴向分别进行了拉伸及压缩试验,旨在研究具有双峰组织和均匀组织特征的ZA21镁合金棒材的拉伸?压缩不对称性（拉?压不对称性）,并揭示相应变形机制。结果表明,拉伸和压缩状态下双峰组织的屈服强度分别为206.42和140.28 MPa,高于均匀组织在拉伸和压缩状态的屈服强度,分别为183.71和102.86 MPa。变形过程中,拉伸状态下的柱面滑移和拉伸孪生、压缩状态下的基面滑移和拉伸孪生主导了屈服行为,导致了轴向拉?压不对称性。然而,由于拉伸状态下细晶中基面滑移的激活以及压缩状态下细晶对拉伸孪生的抑制作用,相较于均匀组织较高的拉-压不对称性（0.56）,双峰组织的拉?压不对称性（0.68）明显降低。变形过程中出现了多种拉伸孪晶,孪晶变体的选择取决于母晶可能激活的六种变体的施密特因子。此外,通过改进的霍尔?佩奇公式,发现双峰组织对屈服的强化作用取决于平均晶粒尺寸以及粗晶和细晶的占比。     

热轧AZ31镁合金板材高温塑性变形行为

采用Gleeble-1500热/力模拟系统,研究热轧的AZ31镁合金板材在应变速率0.01,0.1,1,5和10 s-1,变形温度473～723 K,预设最大变形量80%条件下的高温塑性变形行为。采用实验得到的真应力-真应变曲线,分析合金流变应力与应变速率、变形温度之间的关系,计算合金高温变形的材料参数和激活能;用Zener-Hollomon参数法建立合金高温变形的本构关系,并比较实测应力与计算得到的应力。研究结果表明:AZ31镁合金高温变形时受应变速率的影响较大,应变速率小于1 s-1时(573～723 K),合金的真应变接近100%,但当应变速率大于5 s-1时,实验温度范围内合金的真应变都小于60%。AZ31镁合金高温变形的流变应力-应变速率-变形温度的关系可用双曲正弦函数描述,激活能随应变速率和变形温度的提高,从110.4 kJ/mol升高到163.2 kJ/mol。实验获得的AZ31镁合金应力-应变本构方程的计算结果与实验结果较吻合。     

铸态AZ31B镁合金高温变形行为数学建模

采用Gleeble-1500热/力模拟试验机对铸态AZ31B镁合金圆柱试样进行轴向热压缩试验,并基于动态材料模型计算应变ε为0.4时的热加工图,研究镁合金热变形行为,以建立AZ31B镁合金真实应力与应变、温度及应变速率间的构效关系。研究结果表明:镁合金的变形激活能关于温度呈高度非均匀性分布,在整体范围内对该参数进行平均估算的方法导致Arrhennius本构方程产生较大拟合误差;将523~723 K变形温度分解为523~573,573~623和623~723 K来分别建立Arrhennius本构方程,可有效提高该方程对峰值应力的预测精度;结合优化后的Sellars和Arrhennius模型,采用常用数学方程构建的热变形抗力模型能准确表征AZ31B镁合金在523~723 K及0.005~5.000 s~(-1)范围内的热变形行为。     

优异力学性能的AZ31镁合金挤压板材:多类型织构的作用

采用横向梯度挤压（TGE）和传统挤压（CE）工艺制备Mg–3Al–1Zn（AZ31）镁合金板材，系统地研究了镁合金在挤压工艺中流变和动态再结晶行为，并对挤压AZ31镁合金板材的微观组织、织构和力学性能进行了分析。结果表明，由于在横向梯度挤压工艺中引入了沿板材横向额外流速和沿挤压方向流速差，板材具有细小晶粒的微观组织和多种类型的织构。板材横向从边缘到中心基极逐渐偏离法线方向，在板材中心区域达到最大倾角65°。此外，除了横向梯度挤压板材中心区域外，板材基极沿挤压方向向横向偏转40°–63°。与传统挤压板材相比，横向梯度挤压板材具有高的延展性和应变硬化指数（n值），低的屈服强度和Lankford值（r值）。由于横向梯度挤压板材在变形过程中基面滑移和拉伸孪晶容易被激活，板材延伸率最高可达41%，屈服强度低至86.5 MPa。     

异速比对异步轧制AZ31镁合金板材组织和织构的影响

采用不同异速比对AZ31镁合金板材进行异步轧制,并将轧后样品进行显微组织和X射线衍射分析,研究异速比对镁合金板材组织和织构转变的影响. 结果表明:异速比的变化对晶粒形貌影响较大但晶粒细化效果不明显;当异速比为2.800时,板材内出现了长条晶粒;快速辊侧{0002}基面织构强度高于慢速辊侧,且板材两侧表面{0002}晶面的偏转方向相反;异速比对基面织构的强度影响显著,随着异速比的增大,基面织构的强度先增加后下降. 这种特殊的织构变化与异步轧制过程中沿厚度方向引入的剪切变形有关.     

多道次等径角轧制对AZ31镁板组织性能的影响

对AZ31镁合金进行多道次等径角轧制,并分析其微观组织、宏观织构和室温力学性能.结果表明,随着轧制道次的增加,板材的晶粒组织出现交替细化与粗化的现象,并直接影响板材后续退火组织的大小和均匀性.由于累积剪切变形的作用,等径角轧制后板材的基面织构明显弱化.七道次等径角轧制后基面极轴出现沿轧向分离,板材屈服强度降低约54%,而伸长率提高约43%.基面织构弱化和晶粒细化是等径角轧制板材塑性提高的主要原因.     

基于晶体塑性理论的面心立方单晶变形研究

借助晶体塑性理论,通过ABAQUS/UMAT用户子程序的二次开发,实现了基于位错运动的塑性本构描述。通过晶体塑性有限元模拟,研究了单向拉伸过程中,晶体旋转及晶粒取向对变形结果的影响,获得了晶体旋转角度与应变的对应关系,晶粒初始取向对滑移启动及变形程度的影响规律;模拟结果与Schmid定律一致,验证开发的晶体塑性模型的正确性。     

镁合金大压下轧制变形区内的微观组织变化

通过对定向凝固镁合金板材单道次大压下(50%)轧制变形区内微观组织形貌的观察,以及数值模拟得到的等效应变、静水压力、剪切应力在变形区内的分布情况,分析了镁合金变形机制与变形区内应力应变状态之间关系。实验结果表明:镁合金的变形机制随着剪切应力的增加而从以滑移为主逐渐转化为以孪生为主。随着静水压力的增大,孪晶变细,间距变小,静水压力阻碍了晶间变形。等效应变与孪生变形程度在变形区内的分布趋势一致。在厚度方向上,孪晶密度从表面到中心逐渐减小。     

间断变形工艺提高AZ31镁合金超塑性的研究

研究间断变形工艺对AZ31镁合金超塑性的影响.结果表明,当温度为400～440℃、应变速率小于5×10-4 s-1时,间断变形工艺可以显著提高AZ31镁合金的超塑性.计算了空洞体积分数与空洞数量的关系.结果表明,空洞体积分数与空洞数量呈正比.对拉伸试样断口形貌的分析表明,间断变形减少了空洞数量,因而减小了空洞体积分数,提高了超塑性伸长率.     

退火纯钛板压缩力学性能的各向异性

沿退火纯钛板材轧向(RD 0°)、横向(RD 90°)以及轧制平面内与轧向成45°(RD 45°)等3个方向取圆柱形试样,采用Instron电子拉伸机和分离式Hopkinson压杆,进行准静态和动态压缩实验,获得不同应变率下的应力-应变曲线,计算3个方向的应变率强化效应.研究结果表明:退火纯钛板准静态和动态压缩力学性能均表现出明显的各向异性,其中RD 90°方向屈服强度最大,RD 45°方向次之,RD0°方向屈服强度最小;在较小的应变程度下流变应力也具有同样的规律.不同方向上的应变率强化效应也存在显著差异:RD0°方向最强,RD 45°方向次之,RD 90°方向最弱;基于纯钛{0001}〈11(2)0〉基面和{10(1)0} <1(2)10〉棱柱面滑移微观塑性变形机制,结合晶体塑性变形理论,考虑多晶板材晶体取向分布,定性解释了退火纯钛板压缩力学性能各向异性.     

预压缩对挤压态镁合金屈服行为的影响

利用WDW3100电子万能试验机沿挤压态AZ31镁合金试样的挤压方向进行预压缩,研究了在不同施载模式下试样的屈服行为.结果表明:一方面,沿挤压方向的预压缩显著地降低了其拉伸屈服强度,使得其拉伸屈服强度与无预应变的压缩屈服强度几乎相等.造成这一现象的原因是经预压缩后的试样再拉伸时发生了退孪生.另一方面,沿挤压方向的预压缩显著地提高了垂直于挤压方向的压缩屈服强度.在不同施载模式下,分析{10-12}孪生施密特因子表明,孪生体系的最大施密特因子的大小对镁合金屈服强度有重要影响.对于{10-12}孪生主导的塑性变形,如果存在大量相同最大施密特因子的晶粒,则其具有相等的屈服强度,反之则不同.     

ZK60镁合金的室温静液挤压强化

对室温静液挤压ZK60变形镁合金的组织、力学性能进行研究。研究结果表明：室温静液挤压后镁合金的表面质量良好：由于加工硬化的作用,镁合金抗拉强度、屈服强度和硬度分别提高20％,60％和54％;变形过程发生了孪生动态再结晶,孪晶和二次孪晶的产生可以阻碍裂纹扩展,镁在基面滑移与孪生的交互作用下形成微晶和孪晶位错;室温静液挤压的镁合金具有良好的金属流动性,应力分布状况亦有利于变形：采用室温静液挤压,可实现镁合金室温下大变形量的形变,是强化镁合金的有效途径之一。     

FCC晶体中孔洞的聚合行为研究

通过编写率相关用户子程序UMAT,实现了有限元计算中晶体塑性本构关系描述。采用含两个球形孔洞单晶模型,模拟分析了FCC晶体中不同晶体取向下孔洞的聚合行为。计算结果表明孔洞的聚合与晶体取向密切相关,在变形过程中,随着晶体取向不同,孔洞形状、长大方向和孔洞间韧带宽度也不同,就Cube、Goss、Copper和Brass四种初始取向而言,Cube取向中的孔洞的聚合效应最强烈最易聚合。单晶体中两孔洞间韧带区变形充分且孔洞沿韧带方向显著生长会加快孔洞的聚合速度。     

热轧AZ31镁合金薄板的室温成形性

针对AZ31镁合金板材室温冲压成形较差的特点,采用不同轧制温度获得镁合金板材,使用半球形凸模胀形,绘制镁合金室温成形极限图并分析轧制温度对镁合金板材组织和室温成形能力的影响.发现AZ31镁合金板材的成形性能不仅与晶粒尺寸有关,还与晶粒取向有关.基面织构的减弱可明显提高板材的胀形性能,在基面织构强度相似的情况下,晶粒尺寸对板材的成形性能起决定性影响.