镁合金塑性变形中孪生行为的研究

镁合金塑性变形中孪生行为的研究
镁及其合金是所有金属工程材料中密度最小的,表现出良好的铸造成型、切削以及焊接性能,在汽车、航空、交通、通信以及日常生活中有很大的应用潜力,因此得到广泛关注。

轧制态AZ31板材具有强烈的基面织构,导致其力学行为的各向异性,塑性变形能力差,所以加工成型能力较差,严重限制了镁合金板材的大规模应用。

本文对具有初始轧制织构的AZ31镁合金进行了连续压缩实验,并借助光学显微镜、X射线衍射和背散射电子衍射等分析技术,探索镁合金形变过程中的拉伸孪生行为以及孪生对镁合金性能的影响。

研究结果表明:(1)镁合金变形过程孪生的启动与其晶界取向有关,初始晶界取向差较小,孪生越容易形核;单向加载情况下,初始材料受力情况简单,孪晶变体的激活遵循施密特一般规律,即拥有较高施密特因子的孪生变体优先启动。

(2)沿初始轧制态试样RD方向连续压缩时,孪晶晶界数目与孪晶体积分数呈现不同的变化趋势:当应变量小于2%时,应变增加孪晶界数量会迅速增加;当应变量继续增加至6%的过程中,孪晶界数量基本保持不变;继续变形孪晶界数目会随着孪晶吞并基体晶粒而迅速减少;而在整个变形过程中,孪晶体积分数呈现一直上升的趋势直至孪生完全,这主要是因为孪晶会以孪晶界迁移的方式生长,当同种孪生变体的相互合并或者孪晶完全吞并基体晶粒时,孪晶界会随之消失而孪晶体积分数会达到极值。

(3)在初始变形下,基体晶粒内部会优先启动施密特因子较大的拉伸孪生变体,随着应变的增加,其他低施密特因子变体也会被激活来协调均匀塑性变形;而在产生孪晶的晶粒中,孪生变体一般都具有较大的施密特因子。

在整个变形过程中,虽然少数晶粒的拉伸孪生变体具有较高的施密特因子,但是由于其拉伸孪生变体所需周围相邻晶粒提供较大的协调应变张量而无法被激活;而部分晶粒虽然取向偏离初始织构方向,但是它们产生相应的拉伸孪生变体所需相邻晶粒提供的协调应变远小于上述晶粒,故综合考虑局部变形协调因素后,这些晶粒中的变体会被激活来协调均匀塑性变形。

(4)镁合金材料塑性变形过程中在晶界处会产生较多的孪生对,通过EBSD原位观察本文得到孪生对的形成要素和机理:孪生对对应的两个孪晶可以为同一种孪生变体类型也可以为不同的孪生变体类型,但是要保证孪生对形成处基体晶粒取向差与孪生对之间的取向差基本相同且两个孪晶都具有较大的施密特因子;孪生通过次序形核方式穿越晶界形成孪晶对,并以协同生长的方式共同长大吞并基体。

由于孪晶对涉及多个晶粒的变形,通过在晶界处形成多个孪晶对,可以协调多晶粒的局部变形。

(5)一个晶粒内部可同时启动多种孪生变体,变体都具有较高的施密特因子。

其中变体取向差为60°的变体间相互作用会显著阻碍孪晶的正常生长,导致局部应力集中,晶体会通过新孪生形核的方式来协调塑性变形;此外位错反应在镁合金的孪晶反应过程起重要作用。

(6)经过不同阶段的连续应变后,材料屈服强度由于不同的硬化机理而得到强化,根据应力-应变曲线和相关变形机制分析:变形量小于6%时,孪生片层数目较多,晶界体积分数大,此时孪晶对镁合金加工硬化贡献起主导作用;变形量增加,孪晶相互吞并,晶界体积分数骤降,此时孪晶体积分数的增加会是的不可动位错增加,导致加工硬化率的提高,同时,拉伸孪晶是的基体晶粒取向旋转86°导致的取向硬化也会对材料加工硬化有所贡献。