基于滑移/孪生耦合模型的镁合金多晶体塑性成形分析

镁合金的各向异性是由滑移和孪生共同作用产生,而孪生是协调镁合金塑性变形的重要机制。尤其在低温变形条件下,滑移和孪生相互协调并影响其成形性能。为准确描述镁合金成形过程的变形机制,文章建立了一种基于滑移和孪生相互耦合的多晶体塑性模型,并引入到有限元分析过程中。其中金属塑性流动,由每个晶粒内滑移面上沿滑移方向产生的剪切变形及孪生面上的孪生变形共同组成,进而采用率无关晶体塑性模型模拟了AZ31镁合金压缩过程,并给出了孪晶体积分数随时间的变化曲线。研究表明,孪晶体积分数随变形应力产生相应变化,并且基面滑移和孪生是影响镁合金室温成形性能及加工硬化的主要因素。     

镁合金塑性变形过程中孪生行为的研究

结合国内外对镁合金塑性变形过程中孪生行为的研究进展,阐述了孪生的晶体学以及几何位向学;分析了孪晶与孪晶之间以及孪晶与滑移之间的相互作用;探讨了影响孪生的几方面因素,包括应变路径、形变温度、应变速率、晶粒尺寸以及晶粒取向。     

预压缩-反向拉伸加载路径下镁合金AZ31轧制板材的孪生-退孪生行为

为了定量研究孪生和退孪生行为在镁合金塑性变形中的作用，开展了镁合金AZ31板材沿轧制方向单调拉伸、单调压缩及预压缩-反向拉伸下的宏观力学行为及微观EBSD试验，并基于考虑孪生-退孪生行为的弹黏塑性自洽模型(EVPSC-TDT)，模拟预测了镁合金板材的宏微观塑性变形行为。结果表明：随着压缩量的增大，(0002)极图在RD附近的强度值逐渐增大，孪晶体积分数增加；反向拉伸时，RD附近的强度值逐渐减弱，孪晶体积分数降低；当反向拉伸量与预压缩量相同时，孪晶体积分数几乎减小到0，几乎所有晶粒c轴均转动至ND方向；随着预压缩量的增加，位错密度逐渐提升，增强了对滑移和孪生的阻碍作用，导致反向拉伸时的屈服应力随着预压缩量的增加而增大。反向拉伸初始阶段各滑移-孪生系的开启率相似，表明拉伸阶段的屈服应力与压缩后各滑移和孪生系的硬化有关；EVPSC-TDT模型可准确预测镁合金在以孪生-退孪生为主导的变形模式下的宏观力学行为、织构演化规律及孪晶体积分数。     

动态塑性变形下AZ31镁合金的孪生特征

沿热轧退火态AZ31镁合金轧制方向进行室温动态塑性变形,采用场发射扫描电子显微镜研究{10ī2}孪生的变体类型及结构特征。结果表明:在{10ī2}孪生机制主导塑性变形的初级阶段(ε8%),AZ31镁合金中大部分晶粒内部仅产生一种{10ī2}孪生变体或变体对,所以孪晶结构呈彼此平行状,将晶粒分割成片层组织;这种片层组织的厚度随着应变量的增加而减小,从5.55μm减小到2.49μm;少数晶粒形核产生不同的{10ī2}孪生变体,且这种晶粒的数量随着塑性变形量的增大而增加;当ε8%,孪生体积分数接近饱和,位错滑移成为镁合金主要的变形机制。     

稀土镁合金高温形变孪生变体的选择规律

研究了高温条件下Mg-Gd-Y-Zr 合金形变孪生变体的选择规律.在350 ℃及真应变为0.05时通过单向压缩铸态Mg-Gd-Y-Zr合金试样,获得形变孪生组织.利用背散射电子衍射(EBSD)技术与透射电子显微镜(TEM)确定孪生类型为{1 0 (-1) 2} 孪生.通过对比EBSD测试结果与理论计算结果,确定了孪生变体.采用Schmid因子准则与Taylor准则分析了{1 0 (-1) 2} 孪生发生的规律.结果表明:Schmid因子准则仅仅考虑孪生变体的Schmid因子,其预测结果与实验结果不符;而Taylor准则考虑了孪生、基面滑移与非基面滑移的相互协调作用,可准确预测{1 0 (-1) 2}孪生的变体选择结果;稀土镁合金的高温形变也需要孪生参与协调塑性变形.     

镁合金塑性变形力学行为与微观组织研究进展

介绍了镁合金在单轴压缩、单轴拉伸、轧制和挤压条件下塑性变形的力学行为及微观组织结构演变规律。简述了镁合金中二次拉伸孪生现象以及各种变形条件下孪生与孪生变体类型的选择规律。基于对镁合金位错滑移、机械孪生及动态回复与再结晶行为的认识,对镁合金力学行为的各向异性、轧制与挤压成型能力的影响规律进行了探讨,强调了初始织构对变形机制、动态再结晶及成型能力的重要影响。最后讨论了析出强化镁合金塑性变形与强韧化机理。     

AZ31镁合金单轴压缩中孪生行为研究

本文采用EBSD技术研究了室温下AZ31镁合金单轴压缩实验中不均匀变形对孪生行为的影响.死区、易变形区、自由变形区处孪生分数统计结果表明,当应变小于8%时,3处孪生分数不相等,应变增加到8%时,3处孪生分数均达到90%左右,孪生基本完全,不均匀变形在低应变下对3处孪生分数影响很大,而在高应变下影响很小.对2%应变下3处孪生变体选择机制进行分析,发现80%以上开动的孪生变体都是对应第一大和第二大Schmid因子变体,表明3处孪生变体激活均满足Schmid定律.由于应力状态不同,自由变形区同时开动两个变体的晶粒百分数大于死区和易变形区.     

基于滑移与孪生镁合金晶体塑性本构模型及微结构关联分析

为了揭示镁合金晶体微结构与孪生变形之间的关联性,采用伪滑移模式描述孪生变形,建立包含滑移与孪生变形机制的晶体塑性本构关系,推导以剪切应变率作为自变量的本构方程牛顿-拉普森迭代式。采用基于体素方法建立的多晶三维微结构有限元模型,对挤压镁合金材料沿挤压方向加载的单轴拉伸和压缩变形行为进行模拟。模拟结果表明,单轴加载下模拟与试验的材料宏观硬化行为基本吻合,及压缩变形的模拟织构演化与试验织构演化也基本趋同。对多晶体内基本物理量的统计分析表明,该模型能够展现多晶内的应力应变、孪晶体分数在空间的不均匀分布特性,而孪晶体分数分布与晶粒尺寸、晶界位向角及晶界倾角等微结构之间缺乏确切的关联性,表明非均匀微结构所导致的独特应力非均匀状态并不是出现孪生变形与微结构强关联性的原因。     

挤压态AZ31镁合金单向压缩过程中的退孪生行为

用金相法、XRD等技术研究了挤压态AZ31镁合金单向压缩过程中的退孪生行为,并探讨退孪生机理.结果表明,在应变量较低时,拉伸孪晶数量随变形量的增大而增多,而当应变量＞4％时,随着变形量的增大,拉伸孪晶数量反而减少,即产生了退孪生现象.这种特殊的退孪生现象可以通过晶体转动理论解释,即随变形量的增大,基体逐渐转到硬取向,孪晶伴随转动,变形量较大时产生的{1012}拉伸孪晶的受力状态随转动发生改变,在已孪生部分又发生一次{10 12 }拉伸孪生,使原来已孪生部分取向再次与基体相同,即产生了退孪生.     

镁合金塑性变形机制

针对不同晶粒尺寸的镁合金AZ31及添加稀土Ce或Nd的AZ31Ce/AZ31Nd的轧制变形行为,探讨了滑移、孪生和晶界滑动三种变形机制在镁合金塑性变形过程中的作用.结果表明:多种变形机制共同作用可提高镁合金在热变形时的塑性变形能力;合金热变形及再结晶退火后,在平均晶粒尺寸为50 μm以上的大晶粒中,变形机制以滑移和孪生为主,位错运动和增殖会使位错在变形过程中互相缠结、钉扎以及受晶界的阻碍而终止运动;孪生容易发生在不利于滑移的晶粒中促进塑性变形;在5～20μm的小晶粒中,晶界滑动机制发挥了重要作用,它可以协调大尺寸晶粒的变形而对提高镁合金变形能力起有益的补充作用.     

拉伸取向控制对AZ31镁合金孪生和织构演化的影响

以室温单轴拉伸实验与晶体塑性有限元相结合的方法,通过拉伸取向控制,研究了AZ31镁合金拉伸变形过程中孪生行为、织构演化规律、塑性各向异性之间的关系。基于率相关晶体塑性本构理论,建立了滑移和孪生机制耦合的具有不同取向的晶体塑性本构模型,引入孪晶体积分数研究孪生对AZ31镁合金塑性变形过程中织构演变和力学性能的影响。结果表明,2种不同取向的样品在塑性变形过程中呈现出明显不同的织构演变规律,表现出明显的各向异性。轴向拉伸时孪生被抑制,孪晶激活体积分数低,径向拉伸时孪晶极易产生,孪晶激活体积分数高。轴向试样在整个塑性变形过程中{0001}极图偏移较小,径向试样因大量拉伸孪晶的开启,使得{0001}棱柱面织构的极密度逐渐向RD的正反方向发生明显偏移。     

镁合金预变形时效处理工艺的研究现状

分析了预变形工艺对镁合金孪生行为的影响,论述了不同类型的镁合金在预变形时效处理工艺下的析出行为,阐明了该工艺下镁合金力学性能的变化规律及强化机制,并提出了通过变形工艺可以调控镁合金的析出行为,使镁合金的晶内组织向着有利于提升力学性能的结构发展,最后对预变形时效处理工艺未来的研究方向进行了展望。     

预孪生纯镁及AZ80镁合金退火过程力学性能演变及其机制

对同一加工工艺得到的挤压态纯镁和AZ80镁合金分别进行6%预压缩,之后对无预压缩和预压缩试样在180 ℃退火20 h,采用光学显微镜、扫描电镜和透射电镜及压缩试验机等对其组织和强度进行了观察和测定,以研究预孪生纯镁及AZ80镁合金退火过程的性能演变及其机制。结果表明:6%预压缩纯镁经180 ℃退火20 h后,屈服强度较未退火试样降低,不存在退火硬化效应。无预压缩AZ80镁合金直接退火处理后,屈服强度与退火处理前几乎不变;而6%预压缩AZ80镁合金经180 ℃退火20 h后,因组织中有较多的白色第二相颗粒在孪晶和孪晶界析出,阻碍位错的运动和孪晶扩展,屈服强度较退火前提高了20 MPa,出现了明显的退火强化效应。     

挤压态AZ31镁合金变形组织演变机制

研究了挤压态AZ31镁合金在压缩过程中的组织变化及其演变机制,探讨了孪生对加工硬化的影响。结果表明,当应变量小于4%时,孪晶含量随应变增大而增多;此后,随应变增加,孪晶含量反而逐渐减少,显微组织分析表明发生了退孪生现象。但织构分析表明,镁合金在压缩过程中并没有发生退孪生。孪晶长大与合并模型被用于解释组织分析显示的孪晶产生和消失现象。在挤压态镁合金的压缩过程中,孪晶的长大与合并导致基体几乎被消耗完毕,大部分基体转变成了孪晶组织,孪晶合并成片,以至于在显微组织观察中产生了孪生先产生后消失的假象。研究还表明,在孪生过程中镁合金的晶体取向发生86.3°的转变,使得镁合金从软取向变成了硬取向,这种取向的转变是镁合金压缩变形过程加工硬化的主要原因。     

挤压态AZ31镁合金热变形过程中的孪生和织构演变

采用100 k N servo-hydraulic MTS型试验机对挤压态AZ31镁合金进行温度为350℃、应变速率为0.3 s-1和不同应变量下的热压缩;利用X射线衍射(XRD)测量不同应变量下的织构,并利用取向分布函数计算其织构类型,分析织构转变;通过电子背散射衍射技术(EBSD)分析孪生的形成情况。同时,计算不同滑移系和孪生的斯密特因子,分析不同滑移系和孪生开启的先后次序。结果表明:变形初期,由于拉伸孪生的出现导致(0001)]0110[和(0001)]0112[织构的形成,并随应变量的增加,发生动态再结晶,)0101([0001]和)0121([0001]纤维织构完全由(0001)]0110[和(0001)]0112[织构代替;在变形初期,大部分晶粒先产生拉伸孪生,接着发生二阶锥面滑移。     

变形镁合金中的织构及其优化设计

针对变形镁合金存在的典型织构以及织构优化设计方面的研究工作和进展进行综合评述。镁合金由于基面滑移和{1 012}孪生是最容易开动的变形模式,在变形镁合金中容易形成挤压丝织构及轧制板织构。通过引入剪切变形,改变成型过程中外加应力的取向,能够有效地改变变形镁合金的织构,同时通过添加微量稀土元素Nd、Ce和Y等,能够明显弱化或随机化变形镁合金织构。织构随机化后的镁稀土合金具有较好的强韧性,合金的变形各向异性得以改善。添加稀土元素后会改变稀土元素与Mg原子间的键能,改变稀土元素周围Mg-Mg原子之间的结合能等,增加非基面滑移的可能性,减弱基面滑移及{1 012}孪生所占的比率,有效地弱化镁合金的织构。     

初始织构对AZ31镁合金孪生和织构演化的影响

为研究AZ31镁合金变形孪晶和塑性各向异性,基于率相关晶体塑性本构理论,采用有限元方法建立了具有不同初始织构的镁合金模型（包含滑移和孪生变形机制）,并引入孪晶体积分数,研究其压缩过程中织构演变、孪生和力学性能之间的关系。结果表明：晶体的塑性行为在很大程度上取决于初始织构,初始织构的差异导致了压缩行为的明显各向异性,轴向屈服强度和抗拉伸强度高,径向屈服强度和抗拉伸强度低。压缩塑性变形过程中随着变形量的增加,激活孪晶体积分数增高,且径向压缩激活孪晶体积分数越高,轴向压缩激活孪晶体积分数越低。模拟中出现明显孪晶的点与应力突变的点相吻合,当孪晶体积分数达到一定值时,应力发生突变,此时晶体取向发生显著变化,新的滑移系启动,反映了滑移和孪晶机制耦合对AZ31镁合金力学性能的影响。     

挤压态ZK60镁合金室温拉-压不对称性研究

基于室温轴向拉伸和压缩实验研究了挤压态ZK60镁合金的拉-压不对称性.通过修正黏塑性自洽模型,建立了耦合滑移和孪生的晶体塑性力学模型,模拟了挤压态ZK60镁合金轴向拉、压力学行为,分析了基面、柱面、锥面滑移及{1012}1011拉伸孪生和{1011}1012压缩孪生在塑性变形过程中的激活及演变情况.结合实验与模拟,从微观塑性变形机制角度分析了具有初始挤压态丝织构的镁合金产生拉-压不对称性的机理.结果表明:轴向拉伸过程中拉伸孪生和压缩孪生都较难激活,变形初期以基面滑移为主,由于基面滑移取向因子较低,导致屈服应力较高;随着晶粒转动,基面滑移分切应力降低,应力逐步升高,变形机制转为以柱面滑移为主,辅以锥面c+a滑移,应变硬化率较低,应力-应变曲线较平稳.轴向压缩前期,临界剪切应力较低的拉伸孪生大量激活,导致屈服应力较低;应变达到6.0%后拉伸孪生逐渐饱和,相对活动量快速降低,硬化率迅速提高,由于大量孪晶界对位错滑移形成阻碍,滑移机制未出现大量激活;轴向压缩后期,随着应力的持续升高,压缩孪生启动,相对活动量迅速上升,塑性变形积累的应力得以释放,硬化率降低.因此,挤压丝织构状态决定了镁合金在室温轴向拉、压变形过程中的变形机制存在明显区别,从而导致挤压镁合金产生显著的轴向拉-压不对称性.     

高速冲击载荷下预压缩AZ31镁合金的退孪生行为与动态力学性能

为研究高应变速率冲击载荷下预压缩轧制态AZ31镁合金的退孪生行为与动态力学性能,将原始试样沿轧制方向（RD）进行真应变为4%的准静态预压缩,引入大量的■拉伸孪晶。利用分离式Hopkinson压杆（SHPB）装置对原始及预压缩AZ31镁合金样品沿板材法向（ND）进行应变速率为700、1000、1300和1600 s^-1的高速冲击实验,并利用EBSD技术对原始试样、预压缩试样以及不同应变速率下的冲击试样进行微观组织分析。结果表明,相比于原始试样,预压缩AZ31镁合金试样内的基面织构强度明显减弱并形成c轴与RD平行的孪晶织构,由于拉伸孪晶界对母晶粒的分割作用使得平均晶粒尺寸明显降低。预压缩AZ31镁合金试样沿ND高速冲击时的主要变形机制为退孪生,随着冲击应变速率的增大,孪晶织构逐渐恢复至初始的强基面织构,孪晶面积分数和孪晶平均厚度均逐渐降低,平均晶粒尺寸逐渐增大。此外,沿ND冲击原始试样相比于预压缩试样具有更高的强度和更低的塑性,且在塑性变形过程中预压缩试样呈现出更加明显的应变速率敏感性。     

AZ31镁合金压缩变形微观织构演变规律

采用电子背散射衍射(EBSD)原位跟踪实验方法研究了AZ31镁合金压缩变形微观织构演变规律。在温度为170℃条件下,研究了AZ31镁合金轧制板材经过3次连续真空压缩(变形量分别为11%、17%和23%)时,其相同观察区域的微观织构演变。研究结果表明,AZ31镁合金轧制板材的微观织构为典型的(0001)基面织构。当温度为170℃、变形量为11%时,晶粒取向发生显著改变,大部分晶粒都发生了完全孪生,只有少数发生部分孪生,原始的基面轧制织构大幅减弱,孪生变体符合60°/1010和86.3°/1210取向关系。随着变形量的增加,滑移开始启动,孪晶晶界减少,织构变化不明显。压缩变形过程微观织构演变机理主要以拉伸孪生为主,基本上没有压缩孪生出现。