純鎂和鎂合金的阻尼及微塑變行為研究.pdf

1、本文采用熱擠壓、等通道角擠壓(ECAP)和退火處理來(lái)改變純鎂的微觀組織結(jié)構(gòu),研究晶粒尺寸和織構(gòu)等對(duì)阻尼和微塑變的影響機(jī)制以及它們之間的內(nèi)在聯(lián)系,并在純鎂中添加合金元素來(lái)研究鎂合金的阻尼和微塑變機(jī)制。利用光學(xué)顯微鏡(OM)和透射電子顯微鏡(TEM)等方法觀察微觀組織變化;通過(guò)中子衍射和電子背散射(EBSD)分析織構(gòu)的演變;采用動(dòng)態(tài)機(jī)械分析儀(DMA)研究阻尼性能隨應(yīng)變的變化規(guī)律;采用循環(huán)拉伸的方法研究微小變形過(guò)程中滯彈性應(yīng)變、摩擦應(yīng)力和正

2、切彈性模量等的變化規(guī)律。揭示了純鎂和鎂合金的阻尼和微塑變行為,為新型高阻尼鎂合金、耐疲勞鎂合金和尺寸穩(wěn)定鎂合金的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。
　　擠壓后純鎂的平均晶粒尺寸為68μm,隨著ECAP變形道次的增加,再結(jié)晶程度逐漸提高,晶粒逐漸細(xì)化,在250°C下ECAP變形4道次純鎂的平均晶粒尺寸為6μm。擠壓態(tài)純鎂具有基面平行于擠壓方向的織構(gòu)。隨著變形道次的增加,基面極點(diǎn)以TD和ED為軸逐步發(fā)生傾轉(zhuǎn),最終形成基面極點(diǎn)分別偏離ND和T

3、D大約40o和65o的織構(gòu),而基面平行于擠壓方向的織構(gòu)逐漸弱化,導(dǎo)致沿?cái)D壓方向變形的基面滑移Schmid因子大幅度提高。退火后純鎂的晶粒尺寸逐漸增大,而織構(gòu)基本保持不變。
　　純鎂與塑性變形相關(guān)的阻尼和微塑變行為可用同樣的位錯(cuò)機(jī)制來(lái)解釋,它們有著相同的物理本質(zhì)。塑性阻尼的兩個(gè)階段與循環(huán)拉伸微塑變的兩個(gè)階段相對(duì)應(yīng):第一階段對(duì)應(yīng)塑性應(yīng)變小于2×10–4(總應(yīng)變約為8×10–4)的區(qū)域,Schmid因子較大晶粒內(nèi)部位錯(cuò)從釘扎點(diǎn)上脫釘并在

4、基面滑移,可動(dòng)性較大,激活體積較大,加工硬化指數(shù)較小;當(dāng)塑性應(yīng)變高于2×10–4時(shí),由于位錯(cuò)在同一滑移面上運(yùn)動(dòng)而發(fā)生纏結(jié)和堆積,可動(dòng)位錯(cuò)密度降低,材料硬化,所以具有較大的加工硬化指數(shù)和較小的位錯(cuò)滑移激活體積,這時(shí)微塑變進(jìn)入第二階段。
　　在應(yīng)變小于第一臨界應(yīng)變振幅(1×10-4左右)時(shí),純鎂中位錯(cuò)在弱釘扎點(diǎn)間擺動(dòng),加載卸載曲線(xiàn)基本重合為一條直線(xiàn),此時(shí)阻尼性能10Q?與應(yīng)變振幅無(wú)關(guān);隨應(yīng)變的增大,位錯(cuò)從弱釘扎點(diǎn)上脫釘,產(chǎn)生應(yīng)力-應(yīng)變

5、滯后環(huán),滯彈性應(yīng)變迅速增加,而正切彈性模量快速降低,此時(shí)阻尼性能1hQ?隨應(yīng)變振幅逐漸增大。這兩個(gè)滯彈性階段可以用G-L位錯(cuò)模型來(lái)解釋;當(dāng)高于第二臨界應(yīng)變振幅(5×10-4左右)后,G-L曲線(xiàn)偏離直線(xiàn),基面位錯(cuò)從強(qiáng)釘扎點(diǎn)上脫釘,發(fā)生微小塑性變形,阻尼性能1pQ?快速提高;當(dāng)高于第三臨界應(yīng)變振幅(9×10-4左右)后,由于位錯(cuò)的纏結(jié)和堆積,摩擦應(yīng)力逐漸增大,而損失模量的增加速度變緩。后兩個(gè)微小塑性變形階段需要用微塑變位錯(cuò)模型來(lái)解釋。隨著晶

6、粒尺寸或基面滑移Schmid因子的增大,純鎂的阻尼性能、滯彈性應(yīng)變和損失彈性模量增大,而正切彈性模量、摩擦應(yīng)力和背應(yīng)力降低。
　　選取在鎂中固溶的Al和不固溶的Si兩類(lèi)合金元素來(lái)制備Mg-Al和Mg-Si合金,并以純鎂作為對(duì)比研究合金元素的添加對(duì)鎂的阻尼和微塑變影響規(guī)律。添加完全固溶的1％Al元素會(huì)極大的降低位錯(cuò)線(xiàn)上弱釘扎點(diǎn)間距,從而提高鎂合金在較小應(yīng)變下的正切彈性模量,摩擦應(yīng)力和背應(yīng)力,但同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致阻尼性能的急劇降低;添加基本

7、不固溶的Si元素不會(huì)降低鎂的低應(yīng)變阻尼性能,但會(huì)生成Mg2Si第二相,明顯的減小鑄態(tài)鎂合金的晶粒尺寸,嚴(yán)重阻礙脫釘后的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致較大應(yīng)變下阻尼性能的降低,同時(shí)提高正切彈性模量,摩擦應(yīng)力和背應(yīng)力。
　　在位錯(cuò)增殖的臨界應(yīng)變振幅時(shí),假設(shè)位錯(cuò)在強(qiáng)釘扎點(diǎn)釘扎下循環(huán)過(guò)程中所掃過(guò)的面積為圓形。根據(jù)功能原理可計(jì)算出此臨界應(yīng)變下純鎂和鎂合金中的可動(dòng)位錯(cuò)密度以及位錯(cuò)線(xiàn)上強(qiáng)弱釘扎點(diǎn)間的平均距離,變形后純鎂和鎂合金中的可動(dòng)位錯(cuò)密度為1012m–2數(shù)