孪生在镁合金中的作用机理_与镁合金接触的材料

2020-02-28 其他范文下载本文

孪生在镁合金中的作用机理由刀豆文库小编整理，希望给你工作、学习、生活带来方便，猜你可能喜欢“与镁合金接触的材料”。

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学科专业：姓

名：

指导老师：

教授

内蒙古科技大学课程论文

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

内蒙古科技大学课程论文

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。

内蒙古科技大学课程论文

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

内蒙古科技大学课程论文

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

内蒙古科技大学课程论文

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。

内蒙古科技大学课程论文

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= η2=

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，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]。

内蒙古科技大学课程论文

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

内蒙古科技大学课程论文

过控制基体中析出稳定的第二相、抑制晶粒长大、控制变形温度、剧塑性变形等工艺来获得细晶组织。

(5)孪生变形引起晶格旋转, 改变镁合金的织构。粗晶组织的镁合金在变形过程中会产生大量孪生变形, 使晶格旋转更大, 可能会使织构弱化。[5]

内蒙古科技大学课程论文

第5章

孪生对塑性变形的影响

图2 hcp结构金属镁{1012}拉伸孪生系

刘俊伟，陈振华，陈鼎等人对中低温变形(室温～ 573K)条件下板材的孪生类型和机制，并对孪生在低温变形时所导致的硬化和软化效果进行判断。主要结论如下:（1）有较强基面织构特征的AZ31 镁合金板材在室温～ 573K 变形过程中{ 1011} 压缩孪晶起主要作用，同时也存在少量的基面滑移。变形温度越高，变形速率越小，孪晶数量也逐渐减少。

（2）中低温变形时AZ31 镁合金轧制板材中的压缩孪晶和二次孪晶同时起软化作用与硬化作用，但硬化作用大于软化作用 [8]。

内蒙古科技大学课程论文

第六章影响孪生的主要因素

6.1 晶粒大小

众所周知，多晶体中位错滑移导致的屈服过程具有明显的晶粒尺寸依赖性，其中最具代表性的理论是基于位错塞积的Hall——Petch关系。晶粒的大小明显影响材料的强度，一般晶粒越细小材料的强度越高，可以看出屈服强度及抗拉强度都与晶粒尺寸的负二分之一次方成正比，可写成:[11]

式中吻σ0为晶格摩擦力，σs为屈服强度，K为Petch斜率，d为晶体直径。对于孪生而一言，它通常是在基面滑移受阻产生应力集中时诱发形核，因此不可避免也要受到晶粒尺寸的影响。一方面，根据Hall——Petch关系，晶粒尺寸越大，晶界处的位错塞积越严重，越容易诱发孪生。另一方面，在细晶条件下，由于晶界体积分数较大，晶界硬化使得非基滑移更容易被激活，甚至发生晶界滑移，从而使塑性变形的均匀性显著提高，因而降低孪生发生的可能性。由此可见，晶粒尺决定的变形均匀性直接影响到孪生的发生，有可能间接影响镁合金的拉压不对称性。然而这种Hall一Petoh关系是否能够描述孪生变形过程中晶粒尺寸和屈服强度的关系呢?己有的研究只是粗略地研究了晶粒尺寸和孪生的关系，对于体心立方晶体有类似的研究大量研究表明，孪生主要发生在粗晶内部，而细晶镁合金中只有当变形温度很低、变形速度极快时才会产生大量的孪晶。这是因为粗晶内位错滑移程大，晶界附近应力集中严重，而细晶组织不仅位错滑移程短，且细晶镁合金容易通过交滑移、非基面滑移和GBS以及动态回复等过程来释放局部应力集中，应力状态难以满足孪晶形核要求。孪生的发生率和晶粒尺寸究竟存在怎样的定量关系并没有研究明确给出。具有择优取向的多晶体，其塑性变形行为表现出与单晶体相似的某些特征。孪生的单向切变特性，使晶粒取向对孪生模式的启动具有重要的影响，并引起塑性变形时应力一应变曲线的变化。有研究表明，当样品中具有很强的纤维织构，即大部分晶粒均以{0001}基面平行于挤压方向，在此取向下，位错、滑移不能发挥作用，拉伸孪生在压缩变形时才能发生，从而使拉伸时的屈服强度明显比压缩时高。经过塑性变形后的镁合金，根据其应力应

内蒙古科技大学课程论文

变特征往往呈现出不同类型的织构。因此对于经过不同塑性变形工艺制得的镁合金材料，其发生孪晶的条件也不相同。对于挤压棒材和轧制板材，应变量低于8%时，孪生几乎可以使所有晶粒向基面方向转动;对于挤压棒材，25%的应变量可以产生和大量的孪晶，但仍有一些晶粒没有发生孪生变形;对于轧制板材，8%的应变量即可使所有的晶粒发生孪生变形，且孪生的形态也不相同。StarselskyA等人对具有基面织构的热轧 AZ3IB镁合金板材进行厚向压缩、平面拉伸和平面压缩，试验表明，由于存在基面织构的原因，拉伸孪晶对厚向压缩和平面拉伸试样的宏观应变没有大的影响，但对于平面压缩变形，拉伸孪晶对其变形却起着重要作用。多晶体的织构能很大程度上影响镁合金的滑移变形，从另一方面说，一旦织构抑制了晶体的滑移，就有可能促进非滑移变形机制的启动，如孪生。[9] 6.2变形量对孪晶形貌和分数的影响

图4 均匀化处理后镁合金的组织

图4可见, 均匀化处理后试样的组织特点:晶粒大小较均匀, 平均晶粒尺寸约为200 Lm。材料基体枝晶经过均匀化工序后, 基本消失, 仔细观察研究发现, 少量颗粒状Mg17 Al12第二相仍存在于其中。压缩变形量为5% 时, 试样的组织情况如图5 , 经观察, 该图有一些较宽的孪晶分布在晶粒内部, 处于一个晶粒内部的多条孪晶彼此平行。在压缩实验的进行中, 试样的变形程度在增加, 相应的孪晶数量也在上升。当压缩量增到12.5%(图6), 晶粒内部布满孪晶, 这些孪晶形态是细而长的, 彼此之间互相交错。孪生的产生, 一是要达到相应的临界切应力,二是晶粒位向要利于发生孪生。那么, 孪晶所在处必然是应力高度聚集处。若

内蒙古科技大学课程论文

图5变形量为5%镁合金的组织

图6 12.5%变形量的镁合金组织

变形程度小, 则应力聚集少, 孪晶数量也较少。若变形程度增加, 晶界处的紧张状态加剧, 变形过程持续时间的延长也使部分晶粒位向改变, 改变的位向可能利于孪生发生, 由此原因, 压缩时间越长, 变形程度越大, 孪晶数量越多甚至布满晶粒。一般称原始孪晶内再产生的孪晶为二次孪晶。本实验中没有观察到明显的二次孪晶。

6.3变形速率对孪晶组织的影响

变形速率是影响本实验孪晶的重要因素之一。图7 是实验用镁合金在0.5 mm/ min 下进行压缩后的金相照片。可见, 该试样在极小的变形速率0.5 mm/ min下, 进行室温压缩变形, 同样产生了为数不少的孪晶。比较图8、9可见, 变形速率的提高, 使变形孪晶形态趋于细小致密, 相应的分布趋于均匀。

内蒙古科技大学课程论文

变形速率对实验所用镁合金的孪生模式的影响不可忽略: 若变形速率较低, 单个晶粒内部产生的孪晶分布方向趋于一致, 偶尔有少量孪晶发生相交;伴随变形速

图7 0.5 mm/ min变形速度下组织

图8 1mm/min变形速度的组织

率的升高, 单个晶粒内部呈现几组孪晶相

图9 2mm/min变形速度下的组织

内蒙古科技大学课程论文

交的状态, 而单一的组内孪晶则彼此平行。产生这现象的原因可能是: 变形速率较慢时, 仅有取向有利的那组孪晶产生, 导致了同一晶粒内仅一组平行的孪晶, 少有孪晶交错。据上文对孪晶形态及分类的阐述可知, 变形速率较慢时以{ 1012} 孪晶为主,变形速率增快后, 变形晶粒紧张度加剧, 更倾向于形成{ 1011} 孪晶[9] 6.4晶粒取向

孪生和滑移变形的一个重要区别是孪生具有单向性,是单向切变,即沿孪生方向η1 的反向不能发生孪生切变。因此,孪生的发生不仅与外加载荷的几何位向有关,还与载荷的类型有关(拉伸或压缩)。当外加载荷相同的情况下,晶粒取向则决定了孪生的发生。对于hcp 晶体,平行于c 轴方向受拉或垂直于c轴受压产生的孪晶,称为拉伸孪晶;平行于c 轴受压或垂直于c轴受拉产生的孪晶, 称为压缩孪晶。镁的c/a = 1.6236

图10 hcp 金属孪生切变与轴比之间的关系

为拉伸孪晶。图7 给出了hcp 金属主要孪生模式的剪切应力s 与轴比c/a 之间的关系。斜率为负时为拉伸孪晶,斜率为正时为压缩孪晶。从图上可以看到,对于镁及镁合金, {1012} 和{1121} 为拉伸孪晶, 而{1122} 和{1011}为压缩孪晶。

对于没有织构的材料,在拉伸和压缩过程中产生孪生的应力未发现有不同,但孪晶的体积分数和含孪晶的晶粒数在压缩过程中明显高于拉伸过程中。J.W.Christian 等认为：晶粒在外加压应力条件下比在外加拉应力条件下更容易发生孪生变形。

内蒙古科技大学课程论文

6.5 变形温度

hcp 金属在室温变形中, 启动孪生切变和非基面滑移的CRSS 远高于启动基面滑移的CRSS。当发生非弹性应变引起应力的高度集中时,孪生和非基面滑移才有可能被启动,并成互相竞争的两种塑性变形机制。而孪生不同于滑移的另一个特性是它的形核并不是热激活的过程,而是应力激活的过程。随着变形温度的降低,非基面滑移的CRSS 急聚上升,而孪生的CRSS 只有略微变化,孪生一旦形核,在很大的温度范围内,孪晶的生长比滑移的传播更容易。因此,温度越低,非基面滑移越不易启动,孪生对塑性变形的贡献越大。而在高温下,具有热激活特征的非基面滑移则成为释放应力集中、协调塑性变形的主要机制,孪生对塑性变形的贡献减小。[10]

第7章

孪生对塑性变形的贡献

由于孪生切变量远小于滑移变形量,所以一般认为,孪生本身对晶体塑性变形

内蒙古科技大学课程论文的直接贡献并不大,但孪生的作用在于调节晶体的取向,激发进一步的滑移和孪生,使滑移和孪生交替进行,从而获得较大的变形。研究表明,镁合金在塑性变形过程中,孪生及孪晶的作用可归纳为以下几点: ①作为一种补充变形机制,提供附加的独立滑移系,提高低温塑性变形能力。②改变晶粒取向,促进持续变形。

③孪晶之间相互作用,发生二次或高次孪生,提高合金的塑性。④释放局部应力,减小裂纹形核,钝化裂纹尖端,阻碍裂纹的扩展。⑤与滑移相互作用,激活锥面滑移。

⑥成为动态再结晶的形核点,增大动态再结晶的温度范围,细化晶粒,提高均匀塑性变形能力。虽然孪晶可能成为裂纹源,但它并不是裂纹产生的必要条件,因此总的来说,孪生对塑性变形的作用是有利的。

内蒙古科技大学课程论文

第8章

结论

镁合金因其室温滑移系少、冷加工困难而制约着它的发展和应用,而孪生作为镁合金室温变形的主要机制之一,可以通过改变晶粒取向,或者孪晶-孪晶或孪晶-滑移之间的相互作用,促进新的滑移和孪生的启动,抑制裂纹源的产生,或者钝化裂纹源尖端,阻碍裂纹的扩展,从而提高镁合金的室温塑性变形能力。国内外已有的研究大多基于对孪生晶体学的研究,而从如何通过有效手段利用孪生对塑性变形的有利作用和如何抑制、减少或消除孪生对变形的有害影响这两方面入手进行深入研究,如通过预变形利用孪生变形来改变晶体取向,或者通过变形前的退火处理使孪晶内部发生再结晶,减少孪晶界应力集中引起裂纹源的几率,改进现有的塑性变形工艺或开发新的塑性变形技术,从而提高孪生对塑性变形的贡献,对提高变形镁合金的室温塑性具有重要意义。

内蒙古科技大学课程论文

参考文献

[1] 詹美燕, 李春明, 尚俊玲。合金的塑性变形机制和孪生变形研究[J]，材料导报，2011年2月

[2] 张雷

AZ31镁合金板材双向反复孪生变形及退火再结晶的研究[D]。长沙，中南大学

[3] 陈振华, 杨春花, 黄长清, 等.镁合金塑性变形中孪生的研究.材料导报[J], 2006, 20(8): 107 [4] 张新明、李理、邓运来等.稀土镁合金高温形变孪生变体的选择规律.中国有色金属学报 [J] 第19 卷第6 期

[5] 詹美燕, 李春明, 尚俊玲。合金的塑性变形机制和孪生变形研究[J]，材料导报，2011年2月。

[6] 姜山

AZ31镁合金的变形行为及孪生机理研究 [D]。重庆大学材料科学与工程学院。2011年3月

苏燕铃

孪生在镁合金塑性变形中的作用[D].南京理工大学.2007.7.9 [8]

刘俊伟，陈振华，陈鼎等.孪生对热轧AZ31镁合金中低温变形行为的影响[J].航空材料学报: 第32 卷第1期.[9] 苏燕铃