純鎂和鎂合金的阻尼及微塑變行為研究.pdf

1、本文采用熱擠壓、等通道角擠壓(ECAP)和退火處理來改變純鎂的微觀組織結(jié)構(gòu),研究晶粒尺寸和織構(gòu)等對阻尼和微塑變的影響機(jī)制以及它們之間的內(nèi)在聯(lián)系,并在純鎂中添加合金元素來研究鎂合金的阻尼和微塑變機(jī)制。利用光學(xué)顯微鏡(OM)和透射電子顯微鏡(TEM)等方法觀察微觀組織變化;通過中子衍射和電子背散射(EBSD)分析織構(gòu)的演變;采用動態(tài)機(jī)械分析儀(DMA)研究阻尼性能隨應(yīng)變的變化規(guī)律;采用循環(huán)拉伸的方法研究微小變形過程中滯彈性應(yīng)變、摩擦應(yīng)力和正

2、切彈性模量等的變化規(guī)律。揭示了純鎂和鎂合金的阻尼和微塑變行為,為新型高阻尼鎂合金、耐疲勞鎂合金和尺寸穩(wěn)定鎂合金的開發(fā)和應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。
　　擠壓后純鎂的平均晶粒尺寸為68μm,隨著ECAP變形道次的增加,再結(jié)晶程度逐漸提高,晶粒逐漸細(xì)化,在250°C下ECAP變形4道次純鎂的平均晶粒尺寸為6μm。擠壓態(tài)純鎂具有基面平行于擠壓方向的織構(gòu)。隨著變形道次的增加,基面極點(diǎn)以TD和ED為軸逐步發(fā)生傾轉(zhuǎn),最終形成基面極點(diǎn)分別偏離ND和T

3、D大約40o和65o的織構(gòu),而基面平行于擠壓方向的織構(gòu)逐漸弱化,導(dǎo)致沿擠壓方向變形的基面滑移Schmid因子大幅度提高。退火后純鎂的晶粒尺寸逐漸增大,而織構(gòu)基本保持不變。
　　純鎂與塑性變形相關(guān)的阻尼和微塑變行為可用同樣的位錯機(jī)制來解釋,它們有著相同的物理本質(zhì)。塑性阻尼的兩個階段與循環(huán)拉伸微塑變的兩個階段相對應(yīng):第一階段對應(yīng)塑性應(yīng)變小于2×10–4(總應(yīng)變約為8×10–4)的區(qū)域,Schmid因子較大晶粒內(nèi)部位錯從釘扎點(diǎn)上脫釘并在

4、基面滑移,可動性較大,激活體積較大,加工硬化指數(shù)較小;當(dāng)塑性應(yīng)變高于2×10–4時,由于位錯在同一滑移面上運(yùn)動而發(fā)生纏結(jié)和堆積,可動位錯密度降低,材料硬化,所以具有較大的加工硬化指數(shù)和較小的位錯滑移激活體積,這時微塑變進(jìn)入第二階段。
　　在應(yīng)變小于第一臨界應(yīng)變振幅(1×10-4左右)時,純鎂中位錯在弱釘扎點(diǎn)間擺動,加載卸載曲線基本重合為一條直線,此時阻尼性能10Q?與應(yīng)變振幅無關(guān);隨應(yīng)變的增大,位錯從弱釘扎點(diǎn)上脫釘,產(chǎn)生應(yīng)力-應(yīng)變

5、滯后環(huán),滯彈性應(yīng)變迅速增加,而正切彈性模量快速降低,此時阻尼性能1hQ?隨應(yīng)變振幅逐漸增大。這兩個滯彈性階段可以用G-L位錯模型來解釋;當(dāng)高于第二臨界應(yīng)變振幅(5×10-4左右)后,G-L曲線偏離直線,基面位錯從強(qiáng)釘扎點(diǎn)上脫釘,發(fā)生微小塑性變形,阻尼性能1pQ?快速提高;當(dāng)高于第三臨界應(yīng)變振幅(9×10-4左右)后,由于位錯的纏結(jié)和堆積,摩擦應(yīng)力逐漸增大,而損失模量的增加速度變緩。后兩個微小塑性變形階段需要用微塑變位錯模型來解釋。隨著晶

6、粒尺寸或基面滑移Schmid因子的增大,純鎂的阻尼性能、滯彈性應(yīng)變和損失彈性模量增大,而正切彈性模量、摩擦應(yīng)力和背應(yīng)力降低。
　　選取在鎂中固溶的Al和不固溶的Si兩類合金元素來制備Mg-Al和Mg-Si合金,并以純鎂作為對比研究合金元素的添加對鎂的阻尼和微塑變影響規(guī)律。添加完全固溶的1％Al元素會極大的降低位錯線上弱釘扎點(diǎn)間距,從而提高鎂合金在較小應(yīng)變下的正切彈性模量,摩擦應(yīng)力和背應(yīng)力,但同時也會導(dǎo)致阻尼性能的急劇降低;添加基本

7、不固溶的Si元素不會降低鎂的低應(yīng)變阻尼性能,但會生成Mg2Si第二相,明顯的減小鑄態(tài)鎂合金的晶粒尺寸,嚴(yán)重阻礙脫釘后的位錯運(yùn)動,導(dǎo)致較大應(yīng)變下阻尼性能的降低,同時提高正切彈性模量,摩擦應(yīng)力和背應(yīng)力。
　　在位錯增殖的臨界應(yīng)變振幅時,假設(shè)位錯在強(qiáng)釘扎點(diǎn)釘扎下循環(huán)過程中所掃過的面積為圓形。根據(jù)功能原理可計算出此臨界應(yīng)變下純鎂和鎂合金中的可動位錯密度以及位錯線上強(qiáng)弱釘扎點(diǎn)間的平均距離,變形后純鎂和鎂合金中的可動位錯密度為1012m–2數(shù)