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AZ系镁合金PLC效应实验和机理研究

作　者: 曾绍锋
导　师: 陈文哲
学　校: 福州大学
专　业: 材料学
关键词: AZ系镁合金 PLC效应 Al溶质原子 析出相 位错交互作用 粘塑性本构模型 数值模拟
分类号: TG146.22
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


为了从宏观规律和微观机理深入研究探讨镁合金的PLC效应，以便进一步丰富和完善镁合金的塑性变形理论，为镁合金的塑性加工实践提供理论参考,本文选用航空航天及工业领域常用的AZ系挤压镁合金为研究对象，系统地对镁合金在系列温度和应变速率下进行了拉伸试验和微观组织结构观察，研究了镁合金在塑性变形过程中发生PLC效应的条件、内在规律和微观机理，建立了包含PLC效应发生机制的粘塑性本构模型，并对其进行了数值模拟。主要工作总结如下。系统地对AZ31、AZ61和AZ91三种镁合金在较宽的温度区间和应变速率范围内进行了系列的拉伸试验，结果表明，AZ31没有观察到PLC效应；AZ61在中温区间发生了并不明显的PLC效应；而AZ91镁合金在一定的应变速率(ε=1.11×10-4s-11.67×10-3s-1)和一定温区（T=248423K）内发生了PLC效应。进一步系统地研究了固溶态AZ91镁合金产生PLC效应的条件及影响因素，发现产生锯齿屈服的临界应变量ε c随形变温度升高而减小，而随着应变速率增加而增大。锯齿屈服所表现的锯齿波类型呈“A”型或“A+B”混合型，与应变速率高低有关。此外，还显示了具有DSA的典型宏观特征，即出现锯齿屈服、屈服应力平台、应变速率敏感系数为负值、异常的加工硬化速率及其“蓝脆”现象。采用McCormick模型中锯齿波的临界应变量ε c、应变速率ε和变形温度T之间的关系，计算得出固溶态AZ91镁合金产生PLC效应的溶质原子扩散激活能为140.7634kJ/mol。该值与Al原子在Mg基体中的扩散激活能非常接近，经综合分析，提出了该合金所产生PLC效应的微观机制主要是Al溶质原子以“空位扩散”的方式偏聚在位错周围形成Cottrell气团进而钉扎位错的结果。进一步系统地研究了溶质原子浓度变化及第二相（β-Mg17Al12）析出对AZ91镁合金PLC效应的影响。经定量及定性分析结果表明，Mg17Al12析出相含量及颗粒大小对AZ91镁合金的PLC温区范围、应力跌落幅度等产生很大影响。发现析出相粒子与位错的交互作用也是控制PLC效应的一种重要机制。进而通过热处理或等径角挤压工艺制备不同晶粒尺寸的AZ91镁合金，从溶质原子气团对可动位错钉扎的微观机理解释和探讨了晶粒尺寸对发生PLC效应的临界应变量、最大应力振幅和锯齿数的影响规律。在前述实验研究的基础上，把粘塑性统一本构模型应用于阐述镁合金的PLC效应产生机制，引入溶质原子浓度与位错相互作用的定量关系，对Yaguchi提出的粘塑性本构模型进行改进，构建了适用于AZ系镁合金PLC效应的理论模型。并用多岛遗传算法（MIGA）和序列二次规划（SQP）方法相结合的优化策略对材料参数进行了优化识别，得出了AZ91镁合金5个温度下的材料参数，数值模拟的曲线与实验结果吻合得很好。

全文目录


中文摘要  2-4
Abstract  4-7
目录  7-10
第一章 绪论  10-32
  1.1 引言  10-11
  1.2 PLC 效应与 DSA  11-19
    1.2.1 锯齿屈服和 PLC 效应  11
    1.2.2 PLC 效应的影响因素  11-13
    1.2.3 PLC 效应的实验研究方法  13-15
    1.2.4 DSA 的宏观特征  15-19
  1.3 PLC 效应理论研究  19-23
    1.3.1 位错动力学理论模型  19-20
    1.3.2 溶质动力学理论模型  20-22
    1.3.3 塑性变形理论的唯象模型  22-23
    1.3.4 粘塑性理论模型  23
  1.4 镁合金的 PLC 效应研究  23-25
    1.4.1 镁合金  23-24
    1.4.2 镁合金 PLC 效应的研究  24-25
  1.5 粘塑性本构理论模型  25-27
    1.5.1 粘塑性理论  25-26
    1.5.2 粘塑性理论模型研究  26-27
  1.6 本文主要研究内容、技术路线及创新点  27-32
    1.6.1 研究现状和意义  27-28
    1.6.2 主要研究内容  28-29
    1.6.3 总体研究技术路线  29-30
    1.6.4 主要创新点  30-32
第二章 试验材料与试验方法  32-37
  2.1 试验材料制备  32-33
    2.1.1 试样的化学成分  32
    2.1.2 AZ 系镁合金热处理工艺  32-33
    2.1.3 细化晶粒处理  33
  2.2 拉伸试验方法  33-35
    2.2.1 拉伸试验  33-34
    2.2.2 应变速率敏感性试验  34-35
  2.3 显微组织结构的观察和分析  35-37
    2.3.1 金相组织观察  35
    2.3.2 物相分析  35
    2.3.3 SEM 形貌观察  35
    2.3.4 TEM 试样制备及观察  35-37
第三章 AZ 系镁合金拉伸力学行为研究  37-47
  3.1 AZ31 镁合金的拉伸变形行为  37-40
    3.1.1 拉伸试验曲线  37-39
    3.1.2 不同变形条件下的力学性能指标  39
    3.1.3 结果讨论  39-40
  3.2 AZ61 镁合金的拉伸变形行为  40-43
    3.2.1 拉伸试验曲线  40-41
    3.2.2 不同变形条件下的力学性能指标  41-42
    3.2.3 结果讨论  42-43
  3.3 AZ91 镁合金的拉伸变形行为  43-45
    3.3.1 拉伸试验曲线  43-44
    3.3.2 不同变形条件下的力学性能指标  44
    3.3.3 结果讨论  44-45
  3.4 小结  45-47
第四章 AZ91 镁合金 PLC 效应研究  47-68
  4.1 AZ91 镁合金的 PLC 效应  47-57
    4.1.1 变形温度对 PLC 效应的影响  47-54
    4.1.2 应变速率对锯齿屈服的影响规律  54-57
    4.1.3 出现 PLC 效应的临界应变量  57
  4.2 AZ91 镁合金的 DSA  57-63
    4.2.1 出现 PLC 效应  57
    4.2.2 屈服应力平台  57-59
    4.2.3 异常的加工硬化速率峰  59-60
    4.2.4 负的应变速率敏感系数  60-61
    4.2.5 蓝脆效应  61-63
  4.3 AZ91 镁合金 PLC 效应中出现的锯齿波型分析  63-67
  4.4 小结  67-68
第五章 AZ91 镁合金 PLC 效应机理研究  68-92
  5.1 溶质原子及扩散激活能  68-73
    5.1.1 扩散激活能的计算  68-71
    5.1.2 固溶处理对镁合金 PLC 效应的影响  71-73
  5.2 合金成分对 PLC 效应的影响机理  73-75
    5.2.1 Al 含量对 AZ 系镁合金 PLC 效应的影响  73-74
    5.2.2 Al 溶质原子浓度影响 PLC 的机理分析  74-75
  5.3 析出相对 PLC 效应的影响机理  75-87
    5.3.1 退火对镁合金 PLC 效应的影响  75-80
    5.3.2 固溶+时效处理对镁合金 PLC 效应的影响  80-82
    5.3.3 第二相析出影响镁合金 PLC 效应的机理  82-87
  5.4 晶粒度对 PLC 效应的影响机理  87-91
    5.4.1 不同处理方法获得不同晶粒度的微观组织  87-88
    5.4.2 晶粒尺寸对 AZ91 镁合金 PLC 行为的影响及机理  88-91
  5.5 小结  91-92
第六章 PLC 效应机理的粘塑性本构模型  92-113
  6.1 弹-粘塑性体  92-97
    6.1.1 弹-粘塑性材料  92-94
    6.1.2 内变量理论  94-95
    6.1.3 统一弹-粘塑性模型的一般框架  95-97
  6.2 Yaguchi 修正模型  97-100
    6.2.1 Yaguchi 模型  97-98
    6.2.2 解释 PLC 效应的修正模型  98-100
  6.3 考虑溶质原子与位错作用的 PLC 效应的本构模型  100-110
    6.3.1 模型提出目的与意义  100
    6.3.2 模型的基本假设  100
    6.3.3 考虑溶质原子与位错作用的本构模型  100-102
    6.3.4 模型中变量的测定  102-105
    6.3.5 溶质原子浓度演化方程  105-108
    6.3.6 材料本构参数的参考值及范围确定  108-110
  6.4 小结  110-113
第七章 AZ 系镁合金粘塑性本构模型参数优化  113-125
  7.1 材料参数优化软件  113-114
    7.1.1 软件功能  113
    7.1.2 程序结构  113-114
    7.1.3 数据输入  114
  7.2 参数识别方法  114-117
    7.2.1 反分析方法  115
    7.2.2 变形试验  115
    7.2.3 目标函数  115-117
    7.2.4 优化方法  117
  7.3 AZ91 镁合金的参数优化  117-118
  7.4 优化结果  118-124
    7.4.1 优化后材料参数  118-119
    7.4.2 模拟本构关系验证  119-122
    7.4.3 饱和溶质原子浓度临界值  122-124
    7.4.4 误差分析讨论  124
  7.5 小结  124-125
全文总结与展望  125-128
致谢  128-129
参考文献  129-137
在读期间发表或完成的论文  137-138
在读期间主持或参与科研项目  138-139
个人简历  139

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中图分类: > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 金属学与热处理 > 金属材料 > 有色金属及其合金 > 轻有色金属及其合金 > 镁
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