稀土镁合金中高温拉伸塑性变形行为研究

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稀土镁合金是镁合金中为数不多的可以在高温下服役的、最主要的合金系列,研究它的高温拉伸性能对于指导实践应用具有非凡的意义。镁合金制造的零部件在汽车和航空航天领域中应用时可能以不同的速度与其它物体撞击(事故和碰撞)造成损坏从而导致材料灾难性失效,另外,这些零件的使用也涉及不同的温度。所以,研究拉伸加载速率和温度对镁合金力学性能的影响对保证镁合金在实际应用中的可靠性和耐久性相当重要。本文选择挤压态Mg-Gd-Y-Zn-Zr稀土镁合金为研究对象,通过不同应变速率和温度下的拉伸试验,并运用理论和微观分析手段,对该合金应力应变曲线的特点,力学性能的变化趋势进行详细阐述,计算了应变速率敏感性和温度敏感性,并结合变形激活能和激活体积以及微观形貌综合讨论了合金的塑性变形行为。再通过对加工硬化的研究建模加深了对该合金塑性变形的认识。对应力应变曲线的描述,发现试验温度为150℃,应变速率为10-5/s和10-1/s以及温度为200℃,应变速率为10-3/s和10-4/s时,试样发生了明显的动态应变时效现象,这可能是可动位错与扩散溶质原子、时效析出相之间相互作用引起的。材料软化过程中,加工硬化行为与回复机制互相竞争占据上风时,软化曲线部分出现应力平台。研究发现,随温度升高,总体上,应变速率敏感性系数m呈上升趋势,而温度敏感性系数s则下降,而变形激活能和变形激活体积(由100℃时的20.36(b3增加到350℃时的150.07(b3)单调上升,曲线呈“S”型。其中,变形激活能高于普通合金,这可能是由于晶界LPSO相与交滑移作用引起的。随着激活能与激活体积的上升,塑性变形机制逐渐由位错滑移和变形孪生共同控制转向非基面滑移发挥重要作用的控制机制。微观方面,断裂方式也由沿晶断裂向沿晶和穿晶的混合模式发展,动态再结晶数量逐渐增多。在这个过程中,拉伸试样内部的应变累积储存能也因动态再结晶得到释放。基于加工硬化指数和加工硬化率两个方面,对合金加工硬化行为进行了研究,进一步阐述了合金的塑性变形行为。可以发现,在屈服强度附近所对应的应变范围内,加工硬化指数n值随温度的降低总体呈上升趋势,随应变的增加变化不大。观察加工硬化率-应变曲线可知,温度小于350℃时,加工硬化率大都是随应变先上升,后下降,这是由于变形初期位错密度急剧增加造成的。随着温度升高,可以看到加工硬化率直线下降后有一段平稳阶段,该阶段动态软化大于加工硬化,表现为应力应变曲线的下行。该阶段加工硬化和损伤等局部不稳定行为做竞争,以维持变形继续进行。该合金的加工硬化包含第三和第四两个主要阶段。试验数据表明,第三阶段同第四阶段一样具有相同的温度和应变速率的敏感性。第四阶段深刻影响着第三阶段的变化,两阶段的加工硬化涉及的参数是互相联系的。
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