AZ31镁合金包辛格效应研究

论文摘要

早在1881年,德国人Bauschinger发现,金属材料经过预先加载产生少量的塑性变形,而后若反向加载,其规定残余伸长应力降低;若同向加载,其规定残余伸长应力升高,这种现象称为包辛格效应（Bauschinger Effect,简称BE）。金属材料包辛格效应的研究已有一百多年历史,但研究工作主要基于钢铁材料、铝合金及铜合金等立方晶系的材料,对镁合金,特别是变形镁合金研究较少。利用Instron1342液压侍服疲劳试验机测试其BE,采用不同的方法合理表征其BE,通过设计不同的变形条件（如:预应变方式、预应变量、应变速率和循环周次）对BE的影响,最后利用金相组织观察、XRD、TEM等微观手段研究了AZ31镁合金BE的产生机理。AZ31镁合金BE测试结果表明:预压缩变形后再拉伸,表现出明显的包辛格效应。用包辛格系数B表征时,预应变为1%,2%,2.5%,4%, B值分别为76.1%, 83.1%, 83.5%和77.1%;而预拉伸变形后压缩时,却表现出反包辛格效应,预应变为-1%,-2%,-2.5%,-4%,B值分别为-24.3%,-30.7%,-29.5%和-23.8%。预压缩变形时的B（包辛格系数）、BSP（包辛格应力参数）、BEP（包辛格能量参数）均比预拉伸变形时的绝对值大,说明预压缩变形再反向拉伸时产生的包辛格效应比预拉伸变形再反向压缩时产生的反包辛格效应在效果上更为明显。RKI（运动硬化与各向同性硬化的比值）均大于1,说明AZ31镁合金在塑性变形过程中运动硬化占优,但优势并不明显,且随预应变的增加,其值也增大缓慢。拉伸变形与压缩变形时的弹性模量存在很大的差异,说明此AZ31镁合金材料具有强烈的各向异性。试验条件对BE影响结果表明:预应变从1%增大到4%时,包辛格效应先增大后有减小的趋势,这符合包辛格效应在小的塑性变形下明显,而大塑性变形能消除包辛格效应这一理论。应变速率从0.0001s-1增大到0.01s-1时,包辛格效应系数B从0.25增大到0.35。循环加载变形时,在第一周时包辛格效应最大,随循环周次的增加,其包辛格效应变小并保持在一个较低水平。在循环变形过程中,拉伸变形阶段先表现循环硬化,随后循环软化,压缩变形阶段,始终表现循环硬化。BE微观机理研究表明:AZ31镁合金材料在拉伸变形时以位错滑移变形为主;在压缩变形时则以孪生变形为主;从金相、XRD验证了压缩后反向拉伸时去孪生过程的存在,该过程导致出现很大的包辛格效应。预拉伸变形过后,AZ31镁合金的轴比c/a减小。通过原子运动模型发现轴比c/a的减小将使压缩变形时的孪生变得更困难,从克服原子间的晶格摩擦阻力来看,反向压缩时出现反包辛格效应是合理的。从内应力角度来看,预拉伸变形时的宏观残余内应力比预压缩时的大,对随后的反向压缩变形的阻碍作用也越大,使其反向压缩变形时的屈服强度升高,出现反包辛格效应。TEM观察表明,预拉伸变形以位错滑移变形为主,在其形貌像中观察到了位错和位错缠结;在反向压缩变形过程中,虽然孪生机制的参与,但位错继续增殖,位错塞积,形成位错胞状结构,从而使基体中可动位错数量在下降,从而使AZ31镁合金的屈服强度升高,出现反包辛格效应。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 包辛格效应研究的一般表征方法、影响因素及相关机理
• 1.2.1 包辛格效应的表征
• 1.2.2 包辛格效应的表征影响因素
• 1.2.3 BE 的相关机理
• 1.3 变形镁合金的发展现状
• 1.3.1 概述
• 1.3.2 变形镁合金在航空航天领域中的应用
• 1.3.3 变形镁合金在汽车工业中的应用
• 1.3.4 变形镁合金在3C 领域中的应用
• 1.3.5 变形镁合金在其他领域中的应用
• 1.4 镁合金包辛格效应可能涉及的塑性变形机理
• 1.4.1 镁合金的滑移
• 1.4.2 镁合金中的交滑移
• 1.4.3 镁合金中的孪生
• 1.4.4 织构
• 1.5 本课题研究方案及研究内容
• 2 试验材料及方法
• 2.1 试验材料
• 2.2 试验方法
• 2.2.1 试样退火处理及加工
• 2.2.2 AZ31 镁合金包辛格效应测试试验
• 2.2.3 金相组织观察
• 2.2.4 X 射线衍射分析
• 2.2.5 透射电子显微镜（TEM）观察
• 3 AZ31 镁合金包辛格效应的测试与表征
• 3.1 引言
• 3.2 包辛格效应定义表征AZ31 镁合金的包辛格效应
• 3.3 AZ31 镁合金包辛格效应的其他表征方法
• 3.3.1 包辛格应力参数BSP、包辛格能量参数BEP 表征
• 3.3.2 RKI 表征AZ31 镁合金包辛格效应
• 3.4 AZ31 镁合金表征方法间的对比分析
• 3.5 本章小结
• 4 试验条件对AZ31 镁合金包辛格效应的影响
• 4.1 预应变方式对AZ31 镁合金包辛格效应的影响
• 4.2 预应变对AZ31 镁合金包辛格效应的影响
• 4.3 应变速率对AZ31 镁合金包辛格效应的影响
• 4.4 循环周次对镁合金包辛格效应的影响
• 4.4.1 各周次下的应力-应变滞后环
• 4.4.2 AZ31 镁合金包辛格效应与循环周次的关系
• 4.4.3 AZ31 镁合金的循环硬化与软化
• 4.4.4 AZ31 镁合金循环变形过程中的应变硬化
• 4.5 本章小结
• 5 AZ31 镁合金包辛格效应的微观机理
• 5.1 AZ31 镁合金反向拉伸时去孪生机制的简介
• 5.2 包辛格效应试验过程中显微组织的演化.
• 5.3 X 射线衍射分析.
• 5.3.1 晶粒取向变化
• 5.3.2 轴比c/a 的变化
• 5.3.3 内应力的变化
• 5.4 透射电镜（TEM）观察AZ31 镁合金包辛格效应
• 5.4.1 TEM 观察结果
• 5.4.2 TEM 观察分析与讨论
• 5.5 本章小结
• 6 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录