论文部分内容阅读
本文采用热挤压、等通道角挤压（ECAP）和退火处理来改变纯镁的微观组织结构，研究晶粒尺寸和织构等对阻尼和微塑变的影响机制以及它们之间的内在联系，并在纯镁中添加合金元素来研究镁合金的阻尼和微塑变机制。利用光学显微镜（OM）和透射电子显微镜（TEM）等方法观察微观组织变化；通过中子衍射和电子背散射（EBSD）分析织构的演变；采用动态机械分析仪（DMA）研究阻尼性能随应变的变化规律；采用循环拉伸的方法研究微小变形过程中滞弹性应变、摩擦应力和正切弹性模量等的变化规律。揭示了纯镁和镁合金的阻尼和微塑变行为，为新型高阻尼镁合金、耐疲劳镁合金和尺寸稳定镁合金的开发和应用奠定了良好的基础。挤压后纯镁的平均晶粒尺寸为68μm，随着ECAP变形道次的增加，再结晶程度逐渐提高，晶粒逐渐细化，在250°C下ECAP变形4道次纯镁的平均晶粒尺寸为6μm。挤压态纯镁具有基面平行于挤压方向的织构。随着变形道次的增加，基面极点以TD和ED为轴逐步发生倾转，最终形成基面极点分别偏离ND和TD大约40o和65o的织构，而基面平行于挤压方向的织构逐渐弱化，导致沿挤压方向变形的基面滑移Schmid因子大幅度提高。退火后纯镁的晶粒尺寸逐渐增大，而织构基本保持不变。纯镁与塑性变形相关的阻尼和微塑变行为可用同样的位错机制来解释，它们有着相同的物理本质。塑性阻尼的两个阶段与循环拉伸微塑变的两个阶段相对应：第一阶段对应塑性应变小于2×10-4(总应变约为8×10-4)的区域，Schmid因子较大晶粒内部位错从钉扎点上脱钉并在基面滑移，可动性较大，激活体积较大，加工硬化指数较小；当塑性应变高于2×10-4时，由于位错在同一滑移面上运动而发生缠结和堆积，可动位错密度降低，材料硬化，所以具有较大的加工硬化指数和较小的位错滑移激活体积，这时微塑变进入第二阶段。在应变小于第一临界应变振幅(1×10-4左右)时，纯镁中位错在弱钉扎点间摆动，加载卸载曲线基本重合为一条直线，此时阻尼性能Q0-1与应变振幅无关；随应变的增大，位错从弱钉扎点上脱钉，产生应力-应变滞后环，滞弹性应变迅速增加，而正切弹性模量快速降低，此时阻尼性能Qh-1随应变振幅逐渐增大。这两个滞弹性阶段可以用G-L位错模型来解释；当高于第二临界应变振幅(5×10-4左右)后，G-L曲线偏离直线，基面位错从强钉扎点上脱钉，发生微小塑性变形，阻尼性能Qp-1快速提高；当高于第三临界应变振幅(9×10-4左右)后，由于位错的缠结和堆积，摩擦应力逐渐增大，而损失模量的增加速度变缓。后两个微小塑性变形阶段需要用微塑变位错模型来解释。随着晶粒尺寸或基面滑移Schmid因子的增大，纯镁的阻尼性能、滞弹性应变和损失弹性模量增大，而正切弹性模量、摩擦应力和背应力降低。选取在镁中固溶的Al和不固溶的Si两类合金元素来制备Mg-Al和Mg-Si合金，并以纯镁作为对比研究合金元素的添加对镁的阻尼和微塑变影响规律。添加完全固溶的1%Al元素会极大的降低位错线上弱钉扎点间距，从而提高镁合金在较小应变下的正切弹性模量，摩擦应力和背应力，但同时也会导致阻尼性能的急剧降低；添加基本不固溶的Si元素不会降低镁的低应变阻尼性能，但会生成Mg2Si第二相，明显的减小铸态镁合金的晶粒尺寸，严重阻碍脱钉后的位错运动，导致较大应变下阻尼性能的降低，同时提高正切弹性模量，摩擦应力和背应力。在位错增殖的临界应变振幅时，假设位错在强钉扎点钉扎下循环过程中所扫过的面积为圆形。根据功能原理可计算出此临界应变下纯镁和镁合金中的可动位错密度以及位错线上强弱钉扎点间的平均距离，变形后纯镁和镁合金中的可动位错密度为1012m-2数量级，退火态和铸态材料中可动位错密度为1010-1011m-2数量级。