擠壓ZK60鎂合金循環(huán)塑性變形行為研究.pdf

1、鎂合金承力部件在服役時(shí)往往承受交變循環(huán)載荷，研究清楚其宏觀循環(huán)變形行為與微觀組織結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系，探明其循環(huán)塑性變形機(jī)理，對(duì)于完善鎂合金循環(huán)塑性理論，調(diào)控其疲勞性能，進(jìn)而推廣鎂合金的應(yīng)用有著重要意義。本文以強(qiáng)織構(gòu)鎂合金Mg-6Zn-0.5Zr（ZK60）擠壓棒材為研究對(duì)象，首先，通過應(yīng)變控制的拉壓循環(huán)變形實(shí)驗(yàn)，研究了擠壓態(tài)ZK60合金的循環(huán)變形行為及低周疲勞壽命，并對(duì)擠壓合金實(shí)施時(shí)效處理（T5）和預(yù)壓縮處理，研究分析了析出相和初始孿晶對(duì)合

2、金循環(huán)變形行為及低周疲勞壽命的影響規(guī)律；然后，通過背散射電子衍射（EBSD）技術(shù)，重點(diǎn)研究了ZK60合金在單向拉伸、單向壓縮和應(yīng)變幅值為4％的循環(huán)變形過程中的孿晶演變規(guī)律，并對(duì)其孿生-去孿行為進(jìn)行了定量分析；最后，對(duì)多種循環(huán)加載條件下的應(yīng)力-塑性應(yīng)變曲線進(jìn)行了細(xì)致的分析，著重研究了循環(huán)塑性特征（彈性極限幅值、曲線拐點(diǎn)）隨著加載周次以及應(yīng)變幅值的演化規(guī)律，并嘗試建立了合金宏觀循環(huán)塑性特征與微觀組織結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系，闡明了強(qiáng)織構(gòu)鎂合金的循環(huán)塑

3、性變形機(jī)理。
　　不同狀態(tài)ZK60合金單向拉伸和單向壓縮變形行為的研究結(jié)果表明，擠壓態(tài)和時(shí)效態(tài)合金均表現(xiàn)出明顯的拉壓不對(duì)稱性，其單向拉伸宏觀屈服的塑性機(jī)理為柱面lt;agt;滑移，而單向壓縮宏觀屈服的塑性機(jī)理為拉伸孿生。時(shí)效態(tài)合金的拉伸、壓縮強(qiáng)度均高于擠壓態(tài)合金。經(jīng)過5%變形量預(yù)壓縮合金的初始組織中含有約56%的拉伸孿晶，其拉壓不對(duì)稱性降低，單向拉伸宏觀屈服的塑性機(jī)理為去孿，而單向壓縮宏觀屈服的塑性機(jī)理為拉伸孿生。
　　擠壓

4、態(tài)ZK60合金循環(huán)變形行為的研究結(jié)果表明，在不同的應(yīng)變幅值下，合金表現(xiàn)出不同的應(yīng)力-應(yīng)變滯回曲線形狀及微觀變形機(jī)理。當(dāng)應(yīng)變幅值小于或等于0.32%時(shí)，未發(fā)現(xiàn)孿生參與循環(huán)變形，其應(yīng)力應(yīng)變滯回曲線的上、下半支接近對(duì)稱，均不呈S形；平均應(yīng)力接近為零，應(yīng)力幅值不隨加載周次的增加而變化，沒有明顯的循環(huán)硬化，循環(huán)變形的主要機(jī)理是基面滑移。當(dāng)應(yīng)變幅值在0.32%~1.5%之間時(shí)，孿生開始參與循環(huán)變形，其應(yīng)力應(yīng)變滯回曲線呈典型的非對(duì)稱形狀，只有上半支呈

5、S形；平均應(yīng)力為正值，應(yīng)力幅值隨著循環(huán)周次的增加而增加，表現(xiàn)出一定的循環(huán)硬化特征；在壓縮半圈，孿生過程未飽和，而在拉伸半圈，去孿過程充分，非基面滑移開始啟動(dòng)，其循環(huán)變形的主要機(jī)理可定義為“部分孿生-去孿完成”。當(dāng)應(yīng)變幅值在1.5%~5%之間時(shí)，其應(yīng)力應(yīng)變滯回曲線的上、下半支幾乎完全對(duì)稱，均呈S形；循環(huán)變形早期的平均應(yīng)力為正值，隨著加載圈數(shù)的增大，平均應(yīng)力顯著下降；應(yīng)力幅值隨著循環(huán)周次的增加而顯著增加，表現(xiàn)出明顯的循環(huán)硬化；在壓縮半圈，孿

6、生過程飽和，非基面滑移開始啟動(dòng)，而在拉伸半圈，去孿過程充分，非基面滑移開始啟動(dòng)，其循環(huán)變形的主要機(jī)理可定義為“孿生飽和-去孿完成”。
　　時(shí)效態(tài) ZK60合金循環(huán)變形行為的研究結(jié)果表明，當(dāng)應(yīng)變幅值小于0.35%時(shí)，循環(huán)變形的主要機(jī)理是基面滑移，其應(yīng)力應(yīng)變滯回曲線形狀、應(yīng)力幅值和平均應(yīng)力與擠壓態(tài)合金相比沒有明顯差別，時(shí)效析出相對(duì)合金的基面滑移沒有明顯的強(qiáng)化效果。當(dāng)應(yīng)變幅值在0.35%~5%之間時(shí)，孿生-去孿行為參與循環(huán)變形，在循環(huán)變

7、形的前期，時(shí)效態(tài)合金的應(yīng)力幅值明顯大于擠壓態(tài)合金的應(yīng)力幅值，時(shí)效強(qiáng)化效果明顯；隨著加載周次的增加，時(shí)效態(tài)合金的應(yīng)力幅值與擠壓態(tài)合金的應(yīng)力幅值逐步趨于一致；在循環(huán)變形的中后期，兩個(gè)狀態(tài)合金的應(yīng)力應(yīng)變滯回曲線幾乎重合，時(shí)效強(qiáng)化效果不明顯。
　　5%預(yù)壓縮態(tài)ZK60合金循環(huán)變形行為的研究結(jié)果表明，當(dāng)應(yīng)變幅值在0.35%~1.5%之間時(shí)，拉伸半圈的去孿過程沒有進(jìn)行完全，應(yīng)力應(yīng)變滯回曲線的形狀從擠壓態(tài)合金的典型不對(duì)稱變?yōu)轭A(yù)壓縮態(tài)合金的接近對(duì)

8、稱，循環(huán)變形機(jī)理從擠壓態(tài)合金的“部分孿生-去孿完成”變?yōu)轭A(yù)壓縮態(tài)合金的孿生-去孿，且孿生和去孿均沒有飽和。當(dāng)應(yīng)變幅值小于0.35%以及在1.5%~5%之間時(shí)，初始孿晶對(duì)合金的循環(huán)變形行為無明顯影響。
　　不同狀態(tài)ZK60合金的低周疲勞壽命的研究結(jié)果表明，擠壓態(tài)、時(shí)效態(tài)和預(yù)壓縮態(tài)合金的應(yīng)變-疲勞壽命曲線上均存在兩個(gè)拐點(diǎn)，低的拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變幅值分別為0.32%（擠壓態(tài)）和0.35%（時(shí)效態(tài)、預(yù)壓縮態(tài)），高于該應(yīng)變幅值時(shí)，孿生-去孿行為

9、參與循環(huán)變形；高的拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變幅值均為3%，高于此應(yīng)變幅值時(shí)，其疲勞壽命非常短，疲勞壽命和應(yīng)變幅值在log-log坐標(biāo)下呈現(xiàn)出線性關(guān)系，且疲勞試樣在壓縮半圈斷裂。時(shí)效析出相對(duì)合金疲勞壽命的影響非常微弱。當(dāng)應(yīng)變幅值在0.35%~2%之間的時(shí)，初始孿晶能明顯提高合金的疲勞壽命，但在其它應(yīng)變幅值下，初始孿晶對(duì)合金的疲勞壽命無明顯影響。
　　擠壓ZK60合金單向變形過程中孿晶演變規(guī)律的研究結(jié)果表明，當(dāng)單向拉伸變形量達(dá)到5%時(shí)，合金中出現(xiàn)

10、{101}壓縮孿晶和{1011}-{1012}二次孿晶，隨著變形量的增大，孿晶的尺寸不斷增大，數(shù)量也略有增加。單向壓縮過程中，{1012}拉伸孿晶不斷形核、擴(kuò)展和長(zhǎng)大，當(dāng)應(yīng)變量分別為1%、2%、4%、5%、6.4%、8%、10%和15%時(shí)，拉伸孿晶的體積分?jǐn)?shù)分別為6.1%、24%、29%、56%、79%、90%、91%和92%；當(dāng)應(yīng)變量達(dá)到10%時(shí)，合金中出現(xiàn){101}-{1012}二次孿晶。
　　4%應(yīng)變幅值下擠壓 ZK60合金

11、循環(huán)變形過程中孿晶演變規(guī)律的研究結(jié)果表明，在壓縮半圈，塑性變形以拉伸孿生為主；在拉伸半圈，塑性變形以去孿為主，壓縮半圈產(chǎn)生的拉伸孿晶幾乎全部被去孿去除，隨著加載周次的增加，拉伸半圈結(jié)束時(shí)的殘余拉伸孿晶累積并不明顯，第21圈時(shí)殘余孿晶的體積分?jǐn)?shù)僅為3%。循環(huán)變形過程中反復(fù)進(jìn)行的孿生-去孿過程，會(huì)對(duì)材料造成顯著的循環(huán)硬化，隨著循環(huán)周次的增加，孿晶形核點(diǎn)增加，孿晶數(shù)量增多，孿晶長(zhǎng)大受到抑制，孿晶比較細(xì)窄。在循環(huán)變形的第一壓縮半圈的應(yīng)變?yōu)榱闾帲?/p>

12、合金單位面積（100?m×100?m）內(nèi)的孿晶數(shù)量為35左右，孿晶寬度為3-6?m；在循環(huán)變形的第六壓縮半圈的應(yīng)變?yōu)榱闾?，合金單位面積（100?m×100?m）內(nèi)的孿晶數(shù)量增加到100左右，孿晶寬度降到小于2?m，孿晶邊界變得不再平滑，呈現(xiàn)斷斷續(xù)續(xù)的鋸齒狀。在循環(huán)變形的第一圈和第六圈，合金中均還觀察到{1011}-{1012}二次孿晶。
　　多種循環(huán)加載條件下擠壓ZK60合金循環(huán)塑性特征的研究結(jié)果表明，材料卸載過程中的彈性極限幅值

13、取決于卸載前材料的微觀組織。單步應(yīng)變控制循環(huán)變形的壓縮半圈以及應(yīng)變幅值小于等于0.32%的拉伸半圈，卸載前材料中不含拉伸孿晶，卸載過程中彈性到塑性的變形機(jī)理為基面滑移，彈性極限幅值大小約為100MPa，且不隨加載周次和應(yīng)變幅值的變化而變化，該值對(duì)應(yīng)著基面位錯(cuò)開動(dòng)所需的宏觀應(yīng)力。單步應(yīng)變控制循環(huán)變形下應(yīng)變幅值大于0.32%的拉伸半圈，卸載前材料中含有拉伸孿晶，卸載過程中彈性到塑性的變形機(jī)理為去孿，彈性極限幅值大小在20MPa到100MPa

14、之間，在0.4%應(yīng)變幅值循環(huán)變形的第一圈，該值具有最小值（20MPa左右），隨著加載周次和應(yīng)變幅值的增大，該值不斷增大，在4%應(yīng)變幅值循環(huán)變形的半壽命圈，該值增大到100MPa左右；兩步應(yīng)變控制循環(huán)變形和應(yīng)力控制循環(huán)變形的拉伸、壓縮半圈，卸載前材料中均含有拉伸孿晶，卸載過程中彈性到塑性的變形機(jī)理為去孿（拉伸半圈）或再次孿生（壓縮半圈），彈性極限幅值均小于100Mpa。當(dāng)彈塑性轉(zhuǎn)變機(jī)理為去孿或者再次孿生時(shí)，彈性極限幅值的大小對(duì)應(yīng)著孿晶位錯(cuò)