基于滑移与孪生的镁合金晶体本构关系及其细观塑性行为研究

发布时间：2017-11-13 00:22

  本文关键词：基于滑移与孪生的镁合金晶体本构关系及其细观塑性行为研究

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【摘要】：具有密排六方(HCP)晶体结构的镁合金在室温条件下主要的塑性变形机制包含滑移变形和孪生变形。将滑移与孪生机制结合到晶体塑性本构关系中对研究镁合金复杂的塑性变形机理是有必要的,也有助于扩展晶体塑性本构理论的应用范围。目前,结合孪生与滑移变形机制把晶体塑性理论扩展到研究HCP多晶塑性行为的问题仍未得到很好地解决。本文针对变形镁合金各向异性塑性变形行为的特征以及独特的“s”形循环硬化行为,采用试验、理论建模及数值分析相结合,从细观的角度研究镁合金晶体塑性本构关系及其微结构演化规律。本文研究工作主要包含：1、选用不同热处理的挤压镁合金AZ31开展金相试验、单调加载试验,循环试验及断口形貌分析试验,试验结果表明材料微结构(如晶粒尺寸、析出相、夹杂数量及分布等)存在差异,但镁合金材料的主要变形机制仍然表现为滑移与孪生变形。2、基于晶体塑性本构理论,建立了包含滑移与孪生变形机制的晶体塑性本构关系,发展了以应力作为自变量的本构方程Newton-Raphson迭代求解方法。在此基础上,改进了滑移与孪生的硬化函数并通过试验及公开文献试验数据验证了本构模型的有效性。进一步利用此模型对AZ31单晶体在四种加载路径下(即沿2-1-10,01-10,0001,01-11方向)开展拉伸与压缩变形的单晶塑性变形行为的数值研究及计算其初始屈服面。数值分析表明,单晶体的塑性硬化以及滑移与孪生的活动情况依赖于加载路径；该模型可预测在不同加载路径下滑移与孪生的活动情况以及主要孪生变体的活动数量和孪生交叉类型。同时单晶初始屈服面表现出明显的运动硬化特征。3、采用上述晶体本构模型,结合Voronoi多晶集合体代表性体积单元(RVE),对AZ31镁合金材料在典型加载情形下开展数值模拟试验及细观分析。模拟结果表明,镁合金宏观应力应变曲线及多晶织构演化与试验数据吻合得较好。细观分析表明,(1)镁合金宏观塑性行为取决于各滑移系与孪生系竞争启动的结果；(2)拉伸孪生变形是引起多晶体形成强基面织构的主要原因；(3)给出了孪生变形导致晶粒取向转动与孪晶体积分数在多晶体内非均匀分布的结果。4、考虑到孪生-去孪生变形机制,发展了包含去孪生变形机制的镁合金循环塑性本构模型。引入滑移、孪生、去孪生变形机制的背应力函数,结合多晶集合体代表性单元对两种应变幅的循环加载进行数值模拟。模拟结果表明,宏观应力应变滞回曲线与循环试验数据比较吻合,反映了低应变幅循环塑性行为的独特特征。细观分析表明,滑移、孪生、去孪生变形在循环过程中交替扮演主导变形机制的角色,尤其是孪生-去孪生变形机制的交替进行,导致循环曲线出现独特的“s”形硬化曲线。同时给出了循环过程中多晶体内的应力应变、各晶粒的孪晶体积分数以及应力三轴度的非均匀分布及演化过程。5、通过几何必需位错将基体中的球形微粒对滑移变形的影响机理以一种附加阻力的形式加以描述,得到了包含晶内微粒粒径与体积分数的新的晶体滑移硬化函数。结合采用Voronoi方法建立的反映金属基复合材料(MMCp)微结构的多晶集合体代表性单元(RVE),针对四种具有不同粒径和体积分数组合的铝基SiC颗粒增强复合材料在宏观均匀变形条件下的应力应变响应进行了数值模拟。模拟结果表明,复合材料的宏观应力应变模拟曲线与试验曲线吻合得较好,说明所建议的滑移硬化函数能够合理地描述晶内微粒对滑移变形的影响,可为研究析出相或弥散相对其他变形机制的影响机理提供新的分析思路。
【学位授予单位】：广西大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG146.22

【参考文献】

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本文编号：1178284