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Al合金中塑性失稳现象（Portevin-Le Chatelier效应）的实验和机理研究

作　者: 江慧丰
导　师: 张青川
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 固体力学
关键词: 塑性失稳 Portevin-Le Chatelier效应 Al合金退火处理固溶处理数字散斑干涉法数值模拟
分类号: O344
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

在一定的温度、应变率或合适的预变形下，很多填隙式或置换式固溶体内会出现材料的特殊塑性失稳现象，即时域上的锯齿形应力屈服和空域上的应变局域化，这一现象也被称之为Portevin-Le Chatelier(PLC)效应。大部分研究者将PLC效应视为材料的本征性质，并认为是由微观上可动位错和溶质原子间的动态相互作用引起的。Al合金具有高的强度重量比、良好的耐腐蚀性等一系列优良的性能指标，在国民经济的各个领域都有着十分重要的作用。但其在室温变形时的PLC效应却严重地降低了材料的可加工成形性能。因此，开展Al合金中的PLC效应的研究将具有重要的理论和现实意义。本文将借助动态数字散斑干涉法，对室温下退火Al合金中的PLC效应进行系统地研究。并结合时域上流动应力的锯齿形状以及空域上PLC变形带的空间特性，对三类PLC效应(A、B、C三类)进行了明确地划分。同时，还统计了不同厚度的LY10铝合金材料试件中出现不同类型PLC效应的加载应变率区间。另外，还借助DSPI技术对实验中所观测的PLC变形带的丰富的空间特性进行了描述；生动地刻画了PLC变形带的转向、多带共存等特殊的空间特性以及最终断裂过程，并为之给出了定性的解释。鉴于目前广为接受的DSA机制考虑的是位错和其周围溶质原子的动态相互作用，文中将尝试通过不同的热处理方式改变Al合金材料中固溶体内溶质原子的浓度，并研究其对PLC效应的影响。比较了相同加载应变率下淬火和退火处理Al合金材料中PLC效应的异同，并对其进行了定性地分析，认为是淬火处理显著提高了材料固溶体内溶质原子的浓度而导致了这些差别。还研究了自然时效对PLC效应的影响：在恒定加载应变率下，随着自然时效时间的延长，出现PLC效应的临界时间不断延迟，直至PLC效应消失。在理论研究方面，基于位错和溶质原子间相互作用的DSA机制，以可动位错线周围溶质原子的浓度为内变量建立了一个唯象模型。并通过对溶质浓度的动力学方程的合理简化，定性地探讨了模型中关键参数的取值范围。通过对模型的线性稳定性分析，划分出两类塑性失稳，即应变软化失稳和应变率软化失稳。基于所建本构，对流动应力的应变率敏感性进行了分析，并得到了它们之间的N形关系。详细讨论了在塑性变形过程中可能存在的空间耦合机制，并结合文中所

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-10
第一章绪论  10-29
  1.1 引言  10-13
  1.2 Portevin-Le Chatelier效应的实验研究概况  13-20
    1.2.1 时域行为研究  13-15
    1.2.2 空域行为研究  15-18
    1.2.3 非线性行为研究  18-20
  1.3 Portevin-Le Chatelier效应的理论研究概况  20-23
    1.3.1 动态应变时效的微观机制  20-21
    1.3.2 Portevin-Le Chatelier效应的模拟  21-23
  1.4 本文的工作  23-24
  参考文献  24-29
第二章应用动态数字散斑干涉法对Portevin-Le Chatelier效应的实验研究  29-46
  2.1 动态数字散斑干涉法原理  29-32
  2.2 实验设置  32-33
  2.3 退火Al合金中的PLC效应  33-44
    2.3.1 三种类型的PLC效应  33-40
    2.3.2 空域行为的定量分析  40-41
    2.3.3 一些特殊的空域行为  41-44
  2.4 本章小结  44
  参考文献  44-46
第三章溶质原子浓度对Portevin-Le Chatelier效应的影响  46-59
  3.1 引言  46-47
  3.2 实验准备  47-48
  3.3 淬火Al合金中的PLC效应  48-54
    3.3.1 不同应变率下的PLC效应  48-53
    3.3.2 特殊的空域行为  53-54
  3.4 时效对PLC效应的影响  54-56
  3.5 本章小结  56-57
  参考文献  57-59
第四章基于动态应变时效机制的溶质动力学模型  59-79
  4.1 引言  59-60
  4.2 基于DSA机制的本构模型  60-67
    4.2.1 塑性变形的演化规律  60-61
    4.2.2 位错线上的有效应力  61-63
    4.2.3 溶质原子浓度的演化规律  63-67
    4.2.4 本构方程  67
  4.3 流动应力的负的应变率敏感性(SRS)  67-75
    4.3.1 塑性失稳的分类  69-70
    4.3.2 应力对突然变化的塑性应变率的响应  70-73
    4.3.3 N形应力-应变率关系及负的SRS  73-75
  4.4 本章小结  75-76
  参考文献  76-79
第五章 Portevin-Le Chatelier效应的数值模拟  79-101
  5.1 引言  79
  5.2 空间耦合  79-84
    5.2.1 宏观力学/几何效应相关的耦合  80-81
    5.2.2 微观本征效应相关的耦合  81-84
  5.3 数值模拟  84-95
    5.3.1 边界条件和初始条件  84-85
    5.3.2 变形非均匀性的引入  85-86
    5.3.3 PLC效应的时域行为  86-93
    5.3.4 PLC效应的空域行为  93-95
  5.4 主要模型参数对PLC效应模拟的影响  95-98
    5.4.1 应变硬化参数h的影响  96-97
    5.4.2 饱和溶质原子浓度C_m的影响  97-98
  5.5 本章小结  98-99
  参考文献  99-101
第六章总结与展望  101-104
  6.1 全文工作总结  101-102
  6.2 未来工作展望  102-104
致谢  104-106
附录:作者攻读博士学位期间已发表或完成的论文  106-107
  期刊论文  106-107
  会议论文  107

Al合金中塑性失稳现象（Portevin-Le Chatelier效应）的实验和机理研究

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