稀土鎂合金板材ZE10的循環加卸載行為

鎂動力 分類: 國內 發布時間: 2021-07-29 16:51

鎂合金作為最輕的金屬結構材料,具有高的比強度、比剛度及綠色環保可回收等特點,在交通、航空航天和電子產品等對輕量化有強烈需求的領域具有很好的應用前景。然而,現有的商用Mg-Zn-Mn系鎂合金由于具有強烈的基面織構,室溫成形性能較差。通過添加少量稀土元素,減弱基面織構的強度,制備具有良好塑性的變形鎂合金成為新的研究熱點。非彈性行為會嚴重影響材料的阻尼系數、回彈和疲勞性能等,是鎂合金結構件精確成形的關鍵影響因素。與傳統的鎂合金相比,稀土鎂合金由于初始基面織構減弱,面內拉伸時,滑移和孿晶機制均會啟動,很可能會表現出不同的非線性卸載行為。然而,目前的相關研究幾乎都是采用實驗手段針對非稀土鎂合金的卸載過程開展的。此外,鎂合金的卸載非彈性性能涉及彈塑性本構,與滑移、孿晶和去孿晶等微觀變形機制密切相關,而現有的VPSC晶體塑性模型無法描述該特征。

最近,來自德國材料研究所的Dirk Steglich博士和上海交通大學汪華苗副教授等人采用實驗和晶體塑性模擬相結合的方法,系統研究了稀土鎂合金ZE10(Mg+1%Zn+0.3%Ce)板材的加卸載行為。實驗研究結果表明,ZE10板材的c軸從ND方向向TD方向發生了45°偏轉,呈現弱基面的雙峰織構(見圖1),具有優異的成形性能,可在室溫下進行深沖;卸載過程中表現出了與商用AZ31鎂合金不同的卸載力學性能。此外,上海交通大學汪華苗副教授等人開發出了EVPSC-TDT模型,為模擬鎂合金的非彈性力學行為和分析微觀變形機制提供了理論模型。

圖1 ZE10的微觀組織和初始織構

系統研究了ZE10板材的單調拉伸和壓縮力學行為,并根據RD方向拉伸(RD-T)和壓縮(RD-C)的實驗結果,擬合得出EVPSC-TDT模型的硬化參數,如表1所示(擬合和實驗應力-應變曲線見圖2a)。根據EVPSC-TDT模型預測了TD方向的拉伸(TD-T)和壓縮(TD-C)應力-應變曲線,預測結果與實驗結果吻合良好(見圖2b),驗證了該模型的準確性。變形后的織構表明,沿RD方向拉伸時的主要變形機制為滑移,其織構與變形前的初始織構類似;沿RD方向和TD方向壓縮時的主要變形機制為孿晶,由于晶粒旋轉了90°,導致織構發生了較大變化;沿TD方向拉伸時的織構演變則介于上述兩者之間。這一現象與AZ31明顯不同,AZ31由于具有強烈的初始基面織構,面內拉伸變形時幾乎沒有孿晶啟動。

表1 EVPSC-TDT模型的硬化參數擬合結果

圖2 RD和TD方向拉伸應力-應變曲線和變形后的織構

系統研究了ZE10板材拉伸-卸載-再拉伸(L-UL)力學行為,并采用EVPSC-TDT模型對變形過程進行了模擬,如圖3所示。結果表明,該模型能夠很好地再現加卸載過程的應力-應變曲線,在加卸載過程中呈現出顯著的遲滯環,并且TD方向的非彈性應變大于RD方向。ZE10板材拉伸-卸載-再拉伸的非彈性應變和弦線模量對遲滯環的變化關系如圖4所示。結果表明,隨著變形持續進行,非彈性應變逐漸降低,弦線模量逐漸增加;TD方向比RD方向的非彈性應變更大,而弦線模量更小,這主要是由于TD方向拉伸比RD方向更有利于孿晶的啟動。

圖3 實驗和模擬的L-UL拉伸應力-應變曲線:(a) RD方向,(b) TD方向

圖4 實驗和模擬的L-UL拉伸:(a) 非彈性應變,(b) 弦線模量隨著變形的變化關系

為了研究去孿晶對非彈性行為的影響,分別模擬了考慮去孿晶、不考慮去孿晶的加載-卸載變形過程。由于拉伸過程中的孿晶較少,去孿晶對非彈性應變的影響幾乎可忽略,如圖5a-c所示;而壓縮過程中去孿晶對非彈性應變有非常顯著的影響,如圖5d-f所示。由圖6可以看出,壓縮時孿晶機制占主導作用,因此后續的卸載-再加載過程中去孿晶對變形的影響顯著;而拉伸時孿晶機制較少,因此后續的卸載-再加載過程中去孿晶對變形的影響也不大。圖7顯示了非彈性應變在拉伸、壓縮時的變化趨勢,壓縮變形時逐漸增加,而拉伸變形時卻逐漸降低,各個方向的非彈性應變顯示出明顯的各向異性。

圖5 考慮和不考慮的應力-應變曲線:(a) RD-T,(b) TD-T,(c) 45°-T,(d) RD-C,(e) TD-C,(f) 45°-C

圖6 變形機制的相對活動率:拉伸L-UL(a) RD,(b) TD,(c) 45°;壓縮L-UL(d) RD,(e) TD,(f) 45°

圖7 非彈性應變的變化趨勢:(a) 拉伸L-UL,(b) 壓縮L-UL

綜上所述,本文通過實驗和晶體塑性模擬相結合的方法系統研究了ZE10板材沿著RD、TD和45°方向的拉伸、壓縮加卸載過程中的非彈性變形行為。研究結果表明,ZE10的非彈性變形與加載路徑密切相關,具有顯著的各向異性及拉壓不對稱性,壓縮加載-卸載時的遲滯環大于拉伸的,TD和45°方向的拉伸加載-卸載遲滯環大于RD方向,TD和45°方向的壓縮加載-卸載遲滯環小于RD方向。非彈性應變的大小主要取決于滑移、孿晶和去孿晶等微觀變形機制相對活動率的不同。

來源: JMA_CCMg

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