孪生在镁合金中的作用机理

内蒙古科技大学

课程论文

论文题目：孪生在镁合金中

的作用机理

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指导老师：教授

目录

摘要 (3)

第一章镁的基本性质 (4)

第二章镁合金中的的孪生现象 (5)

第三章镁合金孪生的晶体学 (6)

（1）孪生和镁合金 (6)

（2）孪生的类型及相关知识 (6)

第四章孪生对力学性能的影响 (8)

第五章孪生对塑性变形的影响 (10)

第六章影响孪生的主要因素 (11)

（1）晶粒大小 (11)

（2）变形量对孪晶形貌和分数的影响 (12)

（3）变形速率对孪晶组织的影响 (13)

（4）晶粒取向 (15)

（5）变形温度 (16)

第六章孪生对塑性变形的贡献 (16)

第七章结论 (18)

参考文献 (19)

摘要

镁合金的资源丰富，应用广泛，具有独特的优越性能, 如高的比强度和比刚度、良好的机加工性能、可回收循环利用等, 是目前最轻的金属结构材料。广泛应用于航天，汽车等领域。镁合金多为密排六方结构(hcp) ，滑移系较少。孪生变形作为其重要的塑性变形协调机制。影响着镁合金的各项性能，所以研究孪生在镁合金的作用机理变的尤为重要。所以研究镁合金不同变形机制、变形工艺与组织、性能之间的相互影响, 对于优化塑性变形工艺、促进镁合金均匀变形、改善镁合金的延性和强度、探索开发适合工业化生产的高性能变形镁合金材料及其制备工艺具有重要的促进作用。

第1章镁的基本性质

镁为元素周期表中第三周期元素，银白色金属，其基本物理性能列于表1。由表可以看出镁在20℃的时候密度只有1.738留cm，，是常用结构材料中最轻的金属，镁的这一特征与其优越的力学性能相结合成为大多数镁基结构材料应用基础。镁在金属中是电化学顺序最后的一个，因此镁还具有很高的化学活泼性。镁在潮湿大气、海水、无机酸及其盐类、有机酸、甲醇等介质中均会引起剧烈的腐蚀，但镁在干燥的大气、碳酸盐、氟化物、氢氧化钠溶液、苯、四氯化碳、汽油、煤油及不含水和酸的润滑油中却很稳定[1]。在室温下，镁的表面能与空气中的氧起作用，形成保护性的氧化镁薄膜，但由于氧化镁薄膜比较脆，而且也不像氧化铝薄膜那样致密，所以其耐腐蚀胜很差，镁的室温塑性很差。纯镁单晶体的临界切应力(CRSS)只有(48~49)×105Pa，纯镁多晶体的强度和硬度也很低，因此都不能直接用来做结构材料。表1是纯镁的一些重要的物理数据。

表1 纯镁的一些重要物理数据

第2章镁合金中的的孪生现象

孪生是晶体的一部分沿一定的晶面(孪生面)和一定的晶向(孪生方向)相对于另一部分晶体做均匀的切变，切变部分发生晶格转动，与未切变部分形成镜面对称。孪生切变具有单向性，即沿孪生方向η1的相反方向则不能发生孪生。在HCP 结构的纯镁及其合金中，孪生是一种重要的晶内变形机制。在一定的温度范围内，滑移、孪生和断裂是相互竞争的应力释放模式。Christian 等研究讨论了密排六方晶格中的孪晶类型，指出镁合金中常见的孪生模式有{1012}、{1011}、{1122}、{1121}。其中，后三种孪生模式的CRSS 较高，产生这种孪生的影响因素也比较复杂。其他孪生模式还有{3034}、{1013}、{1123}、{1014}等。表3列出了镁合金中常见的孪生模式及其孪生要素和切变量。表2是纯镁的主要力学性能[7]

表2 纯镁的主要力学性能

第3章镁合金孪生的晶体学

3.1 孪生

孪生是一种均匀的切变,切变部分发生晶格转动,与未切变部分形成镜面对称。以镁合金{1012}孪生为例,如图1所示,切变区与未切变区的界面{1012}称为孪晶面,用K1表示；〈1011〉为切变方向,用η1表示; {1012}为第二不畸变面,用K2表示;{1210 }包含η1,且同时垂直于K1和K2, 用P 表示; K2 面与P 的交线〈1011〉为不畸变剪切方向,用η2 表示。K1、η1、K2、η2称为孪生要素或孪生参数,这4个参数决定了孪生切变的几何特征[3]。

表3 镁合金中常见的孪生模式及其孪生要素和切变量(r=c/a)

3.2孪生的类型及相关知识

表4 {1012}和{1011}孪生的特征参数

hcp结构材料能够发生多种孪生方式，镁合金材料中最常见的孪生模式有两种，如图2所示。孪生变形中K1、K2、η1和η2分别为第一不畸变面(孪晶面)、第二不畸变面、切变方向和不畸变剪切方向，这四个参数称为孪生要素或孪生参数，它们决定了孪生切变的几何特征。表2中γ为孪生切变应变，Ns是每个单元晶胞中的重组原子数，Nt是单元晶胞总原子数，q是要切变的K1面的数量。

除表2中所列的2种孪生外，还存在其它类型的孪生模式，如{1013}、{3034}、{11 2 3}、{1014}等。然而对于所有的HCP结构金属来说，在较低的变形温度下，沿{1012}晶面的孪生是最普遍的，这允许在c轴方向发生非弹性形变，{1012}孪生的描述如下：

K1= {1012}

K2= {1012}

η1=<1011>

η2=<1011>

这里切变量γ0与轴比c/a有关，对于c/a＜3的材料，切变方向为<1011>，孪生在平行于c轴拉应力或者垂直于c轴方向压应力的作下发生。K1面上侧的原子沿η1方向作平行于K1面的切变运动，平行于K1面的晶面在切变过程中面间距保持不变。发生切变的原子沿{1012}孪晶面与未发生切变的原子成镜面对称关系。此过程中，η1和η2方向上的原子密度在孪生前后保持不变[6]。

第4章孪生对力学性能的影响

晶体材料的延性或脆性极大地依赖于滑移和孪生的本质及其相互联系。孪生变形对镁合金材料力学性能所起的作用可归结为以下几点：

（1）孪生变形使晶格发生旋转, 可提供附加的独立的滑移系, 形成回复区, 有利于提高材料的延性。Koilke等研究表明, 镁及其合金甚至可能在室温下发生动态回复。动态回复与{1011} 压缩孪晶有关, 因为位错会被孪晶界吸收。Barnet t 等认为{1012} 孪晶使晶粒重新取向至硬取向, 由此使镁合金总的应变硬化增强, 从而延迟塑性不稳定性的发生, 提高镁合金的延性。

(2) 孪晶使晶粒细化并阻碍位错运动, 对位错转变也有影响, 从而导致加工硬化。如{1012} 孪晶界取向的突变(与母体晶粒旋86°) 可成为位错运动的障碍, 由此成为加工硬化源。由于孪生而造成的加工硬化有利于达到更大的均匀延伸率。Jain 等的研究表明, 在AZ31 薄板沿轧向和横阶段滑移中孪生成为主要的塑性变形机制[1]。

(3) 孪晶也可能产生应力集中区和失效区, 使材料的韧性降低。

图1 镁合金{ 10 12}孪生原子运动情况

(4) 镁合金的力学性能各向异性与孪生变形有关。Beck认为通过抑制孪生变形可以减小各向异性, 方法之一就是在变形过程中保留细小的晶粒组织。可以通