利用晶体塑性有限元法研究晶粒尺度下的Mg-Y合金变形机制

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金属镁具有六方密排(HCP)的晶体结构,滑移系数量众多,但在室温下可开动的独立滑移系少,导致其塑性差,室温可加工性能差。研究表明,稀土元素(Rare Earth Elemet,RE)的加入能够有效降低镁合金基面滑移-非基面滑移的临界分切应力(critical resolved shear stress,CRSS)比值,降低非基面滑移系开动的能量壁垒,从而提高镁的塑性及室温可加工性能。其中稀土元素钇(yttrium,Y)的添加对镁合金的强度、塑性、延展性等均具有良好的强化效果。但Y元素通过何种方式对镁合金的性能进行改善,其具体内部作用机制仍亟待思考和解决。为研究Y在镁合金塑性变形过程中的强化作用机理,本文以轧制Mg-0.8wt.%Y合金为研究对象,对其进行原位拉伸试验,并采用晶体塑性有限元法(crystal plastic finite element method,CPFEM)对试验过程进行晶粒尺度下的模拟。晶体塑性有限元将晶体塑性理论与有限元方法相结合,在研究晶体变形过程中应力应变分布情况、晶粒取向、晶粒扭转、织构变化等方面有着重要的应用和探索意义。本工作通过原位拉伸试验,可以得到Mg-0.8wt.%Y合金的宏观应力应变曲线,同时利用原位EBSD表征手段,能够对变形前后的样品表面形貌、晶粒取向、位置、织构等信息进行采集和分析。利用EBSD所提供的晶粒取向和位置信息可以在有限元计算软件DAMASK中建立模型,并利用phenomenological law作为材料塑性变形本构关系法则,对其晶粒尺度下的滑移孪生启动情况进行模拟。通过模拟过程中的参数调试,研究了phenomenological law中各个参数对于宏观应力应变曲线的影响,发现不同滑移系的临界分切应力(0),临界分切应力与饱和分切应力的比值(0/),硬化模量(H)等对于材料的力学性能影响最为明显,因此推断Y通过影响滑移系临界分切应力或硬化模量来对镁合金力学性能造成影响。本论文通过对选定区域内晶粒的拉伸情况进行模拟,在宏观尺度上得到了与原位拉伸力学曲线拟合程度较高的模拟应力-应变曲线;在微观尺度上,选取了其中表面滑移迹线比较明显的9个晶粒作为主要研究对象,将晶粒内部的滑移活动模拟结果与原位拉伸实验中得到的SEM图像进行比较,通过滑移迹线分析等手段对晶粒内部所启动滑移系类型进行了区分和鉴别。根据模拟和实验结果,发现基面滑移是镁合金塑性变形阶段的主要变形模式,其导致的变形量在后期约占到材料总应变量的50%,柱面滑移和锥面?a?滑移分别约占总应变量的25%和23%。基面滑移的启动可以依靠施密特法则作为主要判断依据;对于非基面滑移的启动,施密特因子不再是主要的判定条件,应力集中现象、边界条件等都会对其启动产生影响;非基面?c+a?滑动以及孪晶几乎没有启动,对Mg-0.8wt.%Y合金的塑性变形贡献很小。
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