基于滑移與孿生的鎂合金晶體本構(gòu)關(guān)系及其細(xì)觀塑性行為研究.pdf

1、具有密排六方(HCP)晶體結(jié)構(gòu)的鎂合金在室溫條件下主要的塑性變形機(jī)制包含滑移變形和孿生變形。將滑移與孿生機(jī)制結(jié)合到晶體塑性本構(gòu)關(guān)系中對(duì)研究鎂合金復(fù)雜的塑性變形機(jī)理是有必要的，也有助于擴(kuò)展晶體塑性本構(gòu)理論的應(yīng)用范圍。目前，結(jié)合孿生與滑移變形機(jī)制把晶體塑性理論擴(kuò)展到研究HCP多晶塑性行為的問(wèn)題仍未得到很好地解決。本文針對(duì)變形鎂合金各向異性塑性變形行為的特征以及獨(dú)特的“s”形循環(huán)硬化行為，采用試驗(yàn)、理論建模及數(shù)值分析相結(jié)合，從細(xì)觀的角度研究鎂

2、合金晶體塑性本構(gòu)關(guān)系及其微結(jié)構(gòu)演化規(guī)律。本文研究工作主要包含:
　　1、選用不同熱處理的擠壓鎂合金AZ31開展金相試驗(yàn)、單調(diào)加載試驗(yàn)，循環(huán)試驗(yàn)及斷口形貌分析試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明材料微結(jié)構(gòu)（如晶粒尺寸、析出相、夾雜數(shù)量及分布等）存在差異，但鎂合金材料的主要變形機(jī)制仍然表現(xiàn)為滑移與孿生變形。
　　2、基于晶體塑性本構(gòu)理論，建立了包含滑移與孿生變形機(jī)制的晶體塑性本構(gòu)關(guān)系，發(fā)展了以應(yīng)力作為自變量的本構(gòu)方程N(yùn)ewton-Raphson迭

3、代求解方法。在此基礎(chǔ)上，改進(jìn)了滑移與孿生的硬化函數(shù)并通過(guò)試驗(yàn)及公開文獻(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了本構(gòu)模型的有效性。進(jìn)一步利用此模型對(duì)AZ31單晶體在四種加載路徑下（即沿<2-1-10>，<01-10>，<0001>，<01-11>方向）開展拉伸與壓縮變形的單晶塑性變形行為的數(shù)值研究及計(jì)算其初始屈服面。數(shù)值分析表明，單晶體的塑性硬化以及滑移與孿生的活動(dòng)情況依賴于加載路徑;該模型可預(yù)測(cè)在不同加載路徑下滑移與孿生的活動(dòng)情況以及主要孿生變體的活動(dòng)數(shù)量和孿生

4、交叉類型。同時(shí)單晶初始屈服面表現(xiàn)出明顯的運(yùn)動(dòng)硬化特征。
　　3、采用上述晶體本構(gòu)模型，結(jié)合Voronoi多晶集合體代表性體積單元(RVE)，對(duì)AZ31鎂合金材料在典型加載情形下開展數(shù)值模擬試驗(yàn)及細(xì)觀分析。模擬結(jié)果表明，鎂合金宏觀應(yīng)力應(yīng)變曲線及多晶織構(gòu)演化與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合得較好。細(xì)觀分析表明，(1)鎂合金宏觀塑性行為取決于各滑移系與孿生系競(jìng)爭(zhēng)啟動(dòng)的結(jié)果;(2)拉伸孿生變形是引起多晶體形成強(qiáng)基面織構(gòu)的主要原因;(3)給出了孿生變形導(dǎo)致晶

5、粒取向轉(zhuǎn)動(dòng)與孿晶體積分?jǐn)?shù)在多晶體內(nèi)非均勻分布的結(jié)果。
　　4、考慮到孿生-去孿生變形機(jī)制，發(fā)展了包含去孿生變形機(jī)制的鎂合金循環(huán)塑性本構(gòu)模型。引入滑移、孿生、去孿生變形機(jī)制的背應(yīng)力函數(shù)，結(jié)合多晶集合體代表性單元對(duì)兩種應(yīng)變幅的循環(huán)加載進(jìn)行數(shù)值模擬。模擬結(jié)果表明，宏觀應(yīng)力應(yīng)變滯回曲線與循環(huán)試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較吻合，反映了低應(yīng)變幅循環(huán)塑性行為的獨(dú)特特征。細(xì)觀分析表明，滑移、孿生、去孿生變形在循環(huán)過(guò)程中交替扮演主導(dǎo)變形機(jī)制的角色，尤其是孿生-去孿生

6、變形機(jī)制的交替進(jìn)行，導(dǎo)致循環(huán)曲線出現(xiàn)獨(dú)特的“s”形硬化曲線。同時(shí)給出了循環(huán)過(guò)程中多晶體內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變、各晶粒的孿晶體積分?jǐn)?shù)以及應(yīng)力三軸度的非均勻分布及演化過(guò)程。
　　5、通過(guò)幾何必需位錯(cuò)將基體中的球形微粒對(duì)滑移變形的影響機(jī)理以一種附加阻力的形式加以描述，得到了包含晶內(nèi)微粒粒徑與體積分?jǐn)?shù)的新的晶體滑移硬化函數(shù)。結(jié)合采用Voronoi方法建立的反映金屬基復(fù)合材料(MMCp)微結(jié)構(gòu)的多晶集合體代表性單元(RVE)，針對(duì)四種具有不同粒徑和體