高应变速率下镁合金组织演变及力学性能研究

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随着镁合金应用越加广泛,镁合金服役环境逐渐扩展到应变速率超高的动态环境,掌握镁合金动态力学行为,对进一步开发镁材料并生产应用具有重大意义。稀土镁合金具有良好的强韧性、耐腐蚀性等优点。通过铸造、热处理和热挤压相结合的工艺,可以制备含大量纳米间距堆垛层错(SFs)的Mg-RE-Zn合金,在室温下具有良好的力学性能。目前,镁合金高应变速率研究大多集中在组织演变和力学性能方面,但是镁合金SFs亚结构在高应变速率下变化却鲜有报道,因此研究镁合金SFs在高应变速率下对合金显微组织和力学性能影响具有重要价值。本研究以Mg-6Er(E6)合金和Mg-6Er-1Zn(EZ61)合金为研究对象,通过熔炼和热挤压制备不含SFs的E6合金和含SFs的EZ61合金。对挤压态EZ61合金进行500℃/12 h保温后随炉冷却,可使SFs析出长大。采用分离式霍普金森压杆(SHPB)技术对制备的合金进行高速冲击试验,利用Johnson-Cook模型预测材料的动态行为,并依托多种物相表征手段,探讨了镁合金中SFs对合金显微组织的影响和SFs随应变速率的变化。对比挤压态E6合金和EZ61合金,结果表明,E6合金加入少量Zn元素可以形成一定量的SFs,同时减少了孪晶的生成。孪晶和SFs对位错滑移均有阻碍作用,但SFs能更好的提高合金的力学性能。经过动态冲击后,合金应力随着应变速率的增加,表现出一定的应变速率硬化效应。挤压E6合金在应变速率较高时因绝热温度升高,变形过程出现绝热剪切带。高应变速率下位错缠结在孪晶和SFs周围聚集形成小角度晶界(LAGBs),LAGBs运动增加位错取向角以形成大角度晶界(HAGBs),相比于无SFs的E6合金,含SFs的EZ61合金晶粒细化更加明显。挤压态EZ61合金在500℃/12 h保温后,采用了温水淬火和随炉冷却两种冷却方式。研究结果表明,随炉冷却可使片层状SFs析出长大,SFs析出温度在432℃和445℃左右,同时SFs具有热稳定性,析出为不可逆过程。热处理后晶粒长大导致合金整体强度降低,长大后的SFs对位错钉扎作用有限,对合金强度提升不明显。经过动态冲击后,淬火态和炉冷态合金在高应变速率下未表现出正应变速率效应。SFs长大可以使合金组织变形更为均匀,在高应变速率冲击后,SFs在晶内向垂直于变形的方向偏转并发生轻微弯曲。通过原始Johnson-Cook模型建立的本构方程拟合曲线,与试验合金的应力-应变曲线存在较大偏差。而修正后的本构模型可以在室温高应变速率下对合金的动态行为进行预测,预测结果与试验数据偏差较小,可以在宽范围应变速率下较为准确地预测合金的动态行为。
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