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硕士论文单轴拉压循环载荷作用下镁合金棘轮行为研究 摘要 镁合金重要应用领域之一是运输领域，如汽车轮毂等，这些构件处于变幅载荷、非 对称应力或应变循环服役条件。在这些过程中有可能出现塑性变形的累积，即棘轮行为。 本文通过改变挤压比和退火时间，获得不同组织和静态力学性能的a z 3 1 镁合金试 样，研究了挤压比和退火时间对a z 3 1 镁合金单轴非对称拉压循环载荷下的棘轮行为的 影响，如：平均应力为4 0 m p a ，幅值应力为1 0 0 m p a 。另外还研究了铸造a z 9 1 d 镁合 金的单轴非对称拉压循环载荷下的棘轮行为。结果表明： ( 1 ) a z 3 l 镁合金经过挤压后，晶粒细化明显，提高了静态力学性能。在8 到3 2 的挤压比范围内，挤压比为1 6 时可以得到最细的晶粒和最佳的力学性能。退火降低了 镁合金的拉伸强度。 ( 2 ) 随循环次数的增加，两种镁合金首先发生循环软化，然后再发生循环硬化， 并最终达到循环稳定。随平均应力和峰值应力的增加，棘轮应变增加。加载历史对棘轮 行为存在影响。 ( 3 ) 挤压比不影响a z 3 1 镁合金的循环软化硬化特性，也不影响最后的棘轮应变 随平均应力和峰值应力的变化趋势，但影响最后的棘轮应变随应力幅值的变化趋势。随 挤压比的增加，a z 3 1 镁合金的棘轮应变减小，且加载历史对棘轮行为的影响也降低。 ( 4 ) 镁合金的棘轮行为不仅和力学性能有关，也和微观组织状态有关。力学性能 高、组织均匀的材料的抗棘轮行为能力高。在4 0 0 保温6 小时，对a z 3 1 镁合金的棘 轮行为几乎没有影响。 ( 5 ) 运用最d - - 乘法对饱和棘轮应变和加载的载荷之间建立本构方程，拟合的结 果和实际结果能够很好的吻合。 关键词：a z 3 1 镁合金，a z 9 1 d 镁合金，棘轮行为，挤压，退火，本构模型 硕上论文 a b s t r a c t t h eu s eo fm a g n e s i u ma l l o y si nt r a n s p o r t a t i o nv e h i c l e si n v o l v e su n a v o i d a b l yc y c l i c d e f o r m a t i o n sa n df a t i g u ea st h ep a r t si nt h ev e h i c l e su n d e r g oc y c l i cs t r e s s e s f r o mt h e d e f o r m a t i o np e r s p e c t i v e , t h em e a ns t r e s si ns t r e s s - c o n t r o l l e df a t i g u ei n d u c e sr a t c h e t i n g , w h i c h r e s u l t sf r o mt h ea c c u m u l a t i o no fp l a s t i cs t r a i ni nt h el o wt oi n t e r m e d i a t ec y c l ef a t i g u er e g i m e i nt h i sw o r k , a z 31 m ga l l o ys a m p l e sw i t h d i f f e r e n tm i c r o s t r u c t u r e sa n ds t a t i c m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw e r eo b t a i n e du s i n ge x t r u s i o na n da n n e a l i n gt r e a t m e n t 1 1 1 ee f f e c t so f e x t r u s i o nr a t i oa n da n n e a l i n gt i m eo nt h er a t c h e t i n gb e h a v i o ro fa z 31 m ga l l o yw e r e i n v e s t i g a t e du n d e ra s y m m e t r i c a lu n i a x i a lt e n s i o n - c o m p r e s s i o nc y c l i cl o a d i n g , s u c ha st h e m e a ns t r e s si s4 0 m p a , w h i l et h es t r e s sa m p l i t u d ei sio o m p a t h er a t c h e t i n gb e h a v i o ro f a z 91d m ga l l o yw a sa l s os t u d i e d t h er e s u l t ss h o w n ： ( 1 ) t h em e a ng r a i ns i z ed e c r e a s e da n dt h ey i e l ds t r e n g t hi n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l yw i t h t h ee x t r u s i o nr a t i ou n t i lt h ee x t r u s i o nr a t i or e a c h e d16 ，a n dt h e r e a f t e rt h ee x t r u s i o nr a t i oh a d l i a l ee f f e c t s t h em e a ng r a i ns i z er e a c h e dam i n i m u mv a l u ea n dt h ey i e l ds t r e n g t hr e a c h e da m a x i m u mv a l u ew h e nt h ee x t r u s i o nr a t i ow a s16 t h ey i e l ds t r e n g t ho fa z 31m ga l l o y d e c r e a s e dw h e nt h ea n n e a l i n gt r e a t m e n t sw e r ep e r f o r m e do nt h ea l l o y ( 2 ) b o t ho ft h e s em ga l l o y sp r e s e n t e dt h ef o l l o w i n gc h a r a c t e r i s t i cb e h a v i o rw i t h i n c r e a s i n gn u m b e ro fl o a d i n gc y c l e s ：f i r s ta na p p a r e n tc y c l i cs o r e n i n gw a so b s e r v e d , t h e na c y c l i ch a r d e n i n go c c u r r e d ，a n df i n a l l yas t a b l es t a t ew a sr e a c h e d t h er a t c h e t i n gs t r a i no f a z 31m a g n e s i u ma l l o ya n da z 91d m a g n e s i u ma l l o yi n c r e a s e dw i t hm e a ns t r e s sa n ds t r e s s a m p l i t u d e t h el o a dh i s t o r yi n f l u e n c e dt h er a t c h e t i n gb e h a v i o r so ft h e s em ga l l o y s ( 3 ) 1 1 1 ee x t r u s i o nr a t i od i dn o ti n f l u e n c et h ec y c l i cs o f t e n i n g h a r d e n i n gb e h a v i o ro rt h e f i n a lr a l c h e t i n gs t r a i nv a r i a t i o nt r e n do ft h ee x t r u d e da z 31bm ga l l o yw i t ht h em e a ns t r e s s a n dt h ep e a ks t r e s s h o w e v e r , t h ee x t r u s i o nr a t i oi n f l u e n c e dt h ef i n a lr a t c h e t i n gs t r a i n v a r i a t i o nt r e n do ft h ee x t r u d e da z 31bm ga l l o yw i t ht h es t r e s sa m p l i t u d e i n c r e a s i n gt h e e x t r u s i o nr a t i oa l s or e d u c e dt h er a t c h e t i n gs t r a i na n dt h ee f f e c t so ft h el o a dh i s t o r yo nt h e r a t c h e t i n gb e h a v i o ro ft h ee x t r u d e da z 3 1b m ga l l o y ( 4 ) t h er a t c h e t i n gb e h a v i o r so ft h e s em ga l l o y sd e p e n d e do nn o to n l yt h es t a t i c m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，b u ta l s ot h eh o m o g e n e i t yo fg r a i ns i z e h i g h e ry i e l ds t r e n g t ha n dm o r e h o m o g e n o u sw i l ld e c r e a s et h er a t c h e t i n gs t r a i n i n f l u e n c e so ft h ea n n e a l i n gt r e a t m e n t s i n f l u e n c e dt h er a t c h e t i n gb e h a v i o r so f a z 31m ga l l o yw e r ev e r ys l i g h t l y ( 5 ) c o n s t i t u t i v ee q u a t i o n sb e t w e e nt h ef i n a lr a t c h e t i n gs t r a i na n dt h ea p p l i e dl o a d i n g n 硕士论文单轴拉压循环载荷作用下镁合金棘轮行为研究 w e r eb u i l tw i t ht h el e a s t s q u a r em e t h o d t h ep r e d i c t e da g r e e dw i n lt h ee x p e r i m e n t a l k e yw o r d ：a z 3 1m a g n e s i u ma l l o y , a z 9 1 dm a g n e s i u ma l l o y , r a t c h e t i n gb e h a v i o r , e x t r u s i o n ，a n n e a l i n g , c o n s t i t u t i v em o d e l 1 1 1 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名： 2 d 肋年否月莎日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 硕士论文单轴拉压循环载荷作用下镁合金棘轮行为研究 1 绪论 1 1 镁合金的特点及应用 作为工程应用中最轻的结构材料，镁合金的密度为1 3 1 9 9 锄3 ，同时镁合金具有 高的比强度和比刚度，电磁屏蔽性好，机加工性能优良，尺寸稳定以及易于机械加工和 回收等优点，所以镁合金被认为是最具潜力的“绿色材料 uj 。 a z 3 1 镁合金是目前商业化应用最广泛的变形镁合金之一，a z 3 1 镁合金具有良好的 强度和延展性，这主要是通过控制轧制、挤压或锻造以及在向室温冷却时保温部分加工 硬化的原因，镁中加锌和铝导致固溶强化并使得晶粒细化【2 羽。a z 9 1 系列镁合金，由于 其具有较高的室温强度，优良的铸造工艺性能和良好的耐蚀性以及成本低等优点，成为 目前使用最广泛的一种铸造镁合金睁引。随着镁及其合金的优异性能使得镁合金的应用 范围越来越广，如何安全使用镁合金已受到人们的普遍关注，已被列为”镁合金的应用 共性基础问题”之一9 1 。镁合金重要应用领域之一是运输领域，如镁合金汽车轮毂、镁合 金方向盘转轴、登山车车圈等，这些构件处于变幅载荷、非对称应力或应变循环服役条 件。要确保服役中的长期稳定性、可靠性和耐久性，通过单纯的静态力学性能的研究是 无法实现的，必须研究材料动态服役条件下的行为。除现有研究较多的疲劳断裂破坏外， 初期试验发现a z 3 1 镁合金在循环应力作用下，随着循环次数增加，试样塑性变形逐渐 累积，最后发生断裂，即存在棘轮效应【l 丌。 1 2 棘轮行为 循环加载过程中，材料可能会出现循环塑性应变，如果这种循环塑性应变在每一循 环周次的正向和反向不能完全抵消，即存在平均应变时，就会沿平均应变方向产生塑性 变形的定向累积，这就是材料在循环载荷作用下的棘轮行为。棘轮效应是材料承受一个 一次载荷并叠加循环载荷时所产生的渐进变形，是在应力控制循环加载下二次变形的累 积，又称循环蠕变或棘齿效应。 1 2 1 不同材料的棘轮行为 棘轮行为可以分为材料棘轮行为和结构棘轮行为【1 8 】，材料的棘轮行为是指工件发生 棘轮行为时，工件的结构对其没有影响，应力在工件的分布是相同，不存在差异。而结 构棘轮是对没有弹性变形的材料，由于工件内部应力分布不一致造成的。结构棘轮行为 可以在循环加载下，工件没有出现材料棘轮行为下发生。对于材料工作者而言主要研究 材料的棘轮行为。 对于不同的材料，棘轮行为的表现有所不同。对于循环硬化和软化的材料，棘轮行 为就表现出很大的差异。如图1 1 【1 9 】循环软化材料的渐进棘轮行为和循环硬化材料的安 l 1 绪论硕士论文 定棘轮行为，所谓棘轮安定就是在循环过程中应变不再继续增大，保持不变，即达到了 以稳定过程。不论带有拉伸或压缩平均应力，循环软化材料所表现出来的循环塑性累积 最为严重。其循环累积损伤是通过两个途径加速进行的：其一，由于材料循环软化特性， 塑性应变不断增加；其二，棘轮应变使平均应变朝着最大延性方向递增。因此，循环软 化材料往往发生渐进棘轮行为，最后往往会由于应变超出范围，发生断裂破坏。对于循 环硬化材料，也会有棘轮行为的发生，由于循环硬化使得循环塑性应变很小，并且其棘 轮应变速率是递减的，最终达到棘轮安定状态，这种材料的破坏最后往往由疲劳损伤占 主导因素。应该注意的是，循环蠕变现象不仅在具有非零平均应力的疲劳过程中产生， 在对称循环加载的过程中，只要材料表现出来的拉伸和压缩强度不同，棘轮行为现象也 会产生。通常把这种潜在的强度不对称性视为材料固有的有效平均应力。a z 31 镁合金 就存在拉压不对称性，在单调曲线加载下镁合金的拉伸屈服强度比压缩屈服强度要高。 从应变控制的应力应变曲线可以看出平均应力的值大部分是由应变的幅值决定的。在较 大的应变下孪生变形占主导，在小应变下位错滑移占主导作用【2 0 1 。可以推断，即使在对 称应力的作用下，a z 3 1 镁合金也会出现塑性变形的累积，即棘轮行为。 n , e y d e 图1 1 渐进和安定棘轮行为示意图f 1 9 】 1 2 2 棘轮行为的危害 棘轮效应的累积可能导致疲劳寿命减少或者使结构变形超过限制而不能正常工作， 是实际工程结构设计中需要考虑的一个重要问题。很多工程构件，如压力容器、核反应 堆的管道、轮轨接触、紧固连接和电子封装等，在服役过程中均可能产生棘轮效应。每 个载荷循环中构件或者结构所增加的塑性变形量可能很小，但是随着循环的进行，累积 起来的塑性变形量却可能很大，并有可能最终导致结构和构件尺寸超标乃至破坏失效 n 5 】 2 硕士论文单轴拉压循环载荷作用下镁合金棘轮行为研究 1 3 棘轮行为的研究现状 近3 0 年来，随着先进实验设备的出现( 新型m t s ，i n s t r o n 等) ，国内外学者对金 属材料棘轮行为进行了一系列实验研究。重点在于研究不同平均应力、应力幅、应变历 史、非比例加载路径、温度、材料性能( 循环硬化和循环软化) 、温度载荷条件下材料的 棘轮行为，积累了大量实验数据。 1 3 1 棘轮行为的参数 宏观研究棘轮行为主要是采用应力( 应变) 控制循环加载，然后得到应力应变曲线， 进行分析。 棘轮行为研究可以通过应变控制或者应力控制的方式进行加载，应变控制主要是确 定应变，得到应力应变曲线，应力控制是确定应力，得到s - n 曲线。应力控制可以采用 三角波、正弦波等各种波形。以正弦波为例，各个参数见图1 2 。 a 公橡 o a 一 0 文价 f fl t 一 图1 2 正弦循环应力谱 正弦循环应力谱是由最大应力万一、最小应力仃曲、循环周期t 来描述。应力变化 的特点可用平均应力盯。和幅值应力口。来确定。 仃m = 半 ( 1 1 ) 吁毕 ( 1 2 ) 平均应力盯m 相当于循环应力中的静态分量，而幅值应力o r 。则为动态分量。于是可 以得到简单的关系式： 3 1 绪论硕士论文 仃m 瓤= 盯m + o r 。 仃m j n2 仃m 一盯a 相应的应力范围： ( 1 3 ) ( 1 4 ) 2 0 。= 盯一一仃曲 ( 1 5 ) 循环载荷的不对称特点由应力比尺来表示： ，r r = 卫生 ( 1 6 ) 盯呱 单轴循环棘轮实验通过疲劳实验机的轴向l o a d ( 载荷) 控制方式实现，设定循环加载 指令波形为正弦波：0 专盯，4 - - - - - o r p - 2 0 。其中，为峰值应力，吒为幅值应力。若 单试样只接受一个工况仃m 盯。( o m 为平均应力，c r a 为幅值应力) 的循环加载，则称该加 载工况为无加载历史的独立加载工况。若在加载历程中，不同应力水平的工况吒组 合在一起连续对单试样加载，则称该试样经受了一个多级加载工况。当然，所有多级加 载工况的第一级都可以作为无加载历史的独立加载工况。 本文中，棘轮应变定义为： 譬= 一c m a x 1 - c m i a 2 ( 1 7 ) 其中，s 一一个循环中的最大名义应变值，缸为一个循环中的最小名义应变值。 棘轮应变率定义为d 6 d n ，即每一循环中棘轮应变g 的增量，为循环周次。 1 3 2 棘轮行为的研究 向阳开【2 i 】对不锈钢3 1 6 l 材料进行了多种平均应力以及多种应力幅值下的单轴循环 加载棘轮效应试验，分析研究了平均应力大小及其历史对其棘轮效应的影响，以及应力 幅值大小及其历史对其棘轮效应的影响。棘轮试验的加载历史：恒定轴向循环应力幅值 为+ 1 9 5 m p a ；多级轴向平均应力依次分四个工况： ( 1 ) 3 9 m p a - - - - ( 2 ) 6 5 m p a _ ( 3 ) 1 0 4 m p a _ ( 4 ) 1 0 4 m p a 。试验结果如图1 3 所示，在先前应变范围为士o 4 7 的应变循环饱和以后，由于轴向应力的不对称循环，发生了明显的棘轮效应。在每个工 况的最初始几周循环内的棘轮变形较大，而在以后的循环加载内棘轮变形大小趋于稳 定。呈现明显的棘轮安定的现象。进一步增大平均应力，棘轮变形随之增加，并且向着 。增加的方向发展。图1 4 是棘轮应变的速率，可以看出棘轮应变速率逐渐减小。研究 表明随着循环次数的增加，塑性模量h 对称性增加，导致棘轮应变速率减小。 4 硬论文单轴拉循环载荷作用下铗合盘韩轮行为研究 图1 3 历史a 下- n 曲线0 i 】 例i4 历史a 下- n 曲线川 蔡力勋 2 2 1 等人通过对t 2 2 5 n g 合金在高温下单轴棘轮行为研究发现饱和棘轮应变 只和峰值真应力相关，并且呈现一元控制特性，即只要饱和峰值真应力确定下来，饱和 棘轮应变就可以确定，进一步研究表明先前的低峰值应力对后面较高峰值的饱和棘轮应 变影响微弱，所以试验可以采用多级加载的方式，测定饱和棘轮应变。随着温度的升高， 饱和棘轮应变增大，并且很快就能达到饱和。所以本实验研究巾也采用多级加载的方式， 这样可以得到更多的数据，并且节省原材料。 同时蔡力勋口”通过对3 0 4 不绣钢和1 c r l 8 n i 9 t i 邛锈钢单轴与高温应力循环棘轮研 究，提出了棘轮应力和棘轮门槛值的概念。如图1 5 所示，将其与坐标轴的交点定义为 。珊，其物理意义就是当峰值应力低于o - n h 时，材料将不发生棘轮变形，即不锈钢存在 正向棘轮变形时峰值应力一定高于门槛应力。进一步研究发现，对于不同的材料，。m 是 特定的常数，3 0 4 钢和1 c r l 8 n i 9 t i 钢的o m 分别为2 1 2 和2 0 3 m p a ，低于其屈服强度。 图16 展示了3 0 4 不锈钢不同温度下峰值真应力和饱和棘轮真应变之间的关系，从图中 可见先前较低温度下的棘轮历史对后继较高温度下的饱和棘轮应变状态影响不太。因此 3 0 4 不锈钢的饱和棘轮应变取决于加载历史中的最大峰值应力和最高温度水平，较低峰 值应力和温度水平下的棘轮历史对后继较高应力和温度水平下的饱和棘轮应变无影响。 ”m 矗。二二 ? 01 f m 蹦l63 0 4 不锈钢变温与恒温丁况f 饱和棘 轮廊变实验结果比较 驴 1 绪论硕士论文 蔡力勋进步考虑了温度效应建立饱和棘轮本构模型，即s r m t 模型，模型的方程 见式1 8 ，对于3 0 4 不锈钢，口r ，2 ，吩和分别为4 0 8 4 ，7 5 2 6 ，2 3 0 m p a ， 0 19 3m p a 。c 和2 0 5 m p a 。 j1 sr = o c ，婶r o q 2 y + k r 婶r | a 0 2 1 ( i 8 ) o r t h = 6 t r + 砖 c b l i m 【2 4 】等对铜合金进行了单轴加载实验，在应力控制加载的条件下指出平均应 力、幅值应力和加载速率都对棘轮行为有很大的影响，前人在研究疲劳的时候，并没有 把棘轮行为和疲劳区分开研究，但是一些合适的考虑平均应力的疲劳模型和棘轮行为的 模型有几分接近，但是当加载速率不同的时候，精度就不能够得到保证了。研究棘轮时 因为蠕变变形需要的时间，而且是在常温下，所以可以忽略。研究发现棘轮应变可以分 成三个阶段，第一阶段是衰减棘轮率阶段，第二阶段是常棘轮率阶段，第三阶段主要是 加速棘轮阶段。建立棘轮行为的模型必须得到它的稳定阶段，这也是接下来我们工作为 什么取的实验参数都在屈服强度附近，虽然在实际应用中，考虑到安全因子，工件受力 不会达到屈服强度，但是为了建立完整的模型，以便于实际应用中的寿命评估，这是不 可或缺的。但是作者没有明确给出加载速率对棘轮应变的影响，只是定性的给出了数据， 并且作者并不是在相同加载，不同的加载速率下进行的对比实验，可能会有一些遗漏。 s h i n g od a t e t 2 5 】研究了棘轮行为对3 1 6 f r 不锈钢疲劳和蠕变疲劳寿命的影响。不过 作者在棘轮行为的定义上与前面几个学者有所不同，他是通过增大平均应变，即应变控 制下不断的提高应变，使其产生塑性变形的累积，疲劳加载就是在对称的加载作用下， 而出现蠕变就是通过增长加载时间。研究发现在拉应力方向棘轮产生的塑性变形的累积 明显缩短工件的疲劳寿命，并且随着平均应力的增大，疲劳寿命明显呈现下降趋势，特 别在应变范围较小的情况下，这个现象更加明显。而在压应力方向，棘轮行为对疲劳寿 命几乎没有影响。在同样的工况下载峰值应力处保持1 0 分钟，对工件的疲劳寿命或者 是棘轮疲劳的寿命影响很弱，但是同样还是可以发现有棘轮的蠕变疲劳寿命明显低于棘 轮疲劳寿命。 工件的疲劳寿命主要取决于裂纹的生成和传播速度，既然棘轮行为对疲劳寿命以及 蠕变疲劳寿命有很大的影响，他必然会影响初始裂纹的生成或者是裂纹的传播。对工件 的断面进行s e m 电镜扫描发现疲劳加载和先前有应变的疲劳加载试样的断面只存在穿 晶断裂而存在蠕变和棘轮行为的试样的除了有穿晶断裂还存在晶间断裂。在试样的横截 面电镜扫描可以发现，前者的只存在大的裂纹，而后者除了主要裂纹外还存在二次裂纹。 虽然作者通过测定寿命直接将棘轮行为和工程中寿命的评估建立联系，但是作者的棘轮 行为在应变控制下，但是得到的数据很少，没有建立模型，并且在微观方面虽然有初步 的探索，但是没有进行相应的理论的分析。 6 硕士论文单轴拉压循环载荷作用下镁合金棘轮行为研究 上述实验都是由应力或者应变控制的棘轮行为，也有单纯由温度引起的棘轮行为的 研究。 h y e o n g - y e o nl e c 【2 6 】指出在没有初始应力作用的情况下，也可以发生棘轮行为，它 能导致工件变形，发生热弯曲的现象。作者通过对316 l 不锈钢进行热循环，研究发现 通过温度的上升和冷却工件发生膨胀和收缩的现象，并且大小和加热或者冷却的速度有 很大的关系。用非线性硬化模型来分析热棘轮行为取得了很好的效果，和结构测试的结 果相吻合。m k o b a v a s h i 2 7 】也对热棘轮行为进行分析，并且对现有的硬化模型进行比较 和分析，指出热模拟当中，硬化模型的选择非常重要，如果忽视它的话，在评估当中就 会夸大热棘轮行为。并进一步提出o w 模型可以较好的描述单轴小变形的棘轮行为。 同时由于模型的建立，利用数值模拟对棘轮行为的研究也取得了一些成果。 g u o z h e n gk a l l 9 2 8 】利用2 d 模拟了s i c p 6 0 6 1 a 1 合金在室温和高温下的单轴棘轮行为， 虽然模拟和实际试验有些差距，对于应变硬化材料没有棘轮安定的现象，并且应力应变 的迟滞宽度比实际实验大，但是利用模拟可以看出工件的哪个部位发生的塑性变形比较 严重，可以看出微观上基体和增强基位置对塑性变形的影响，这可以为实际解释裂纹的 产生和传播提供理论上的依据。l a k h d a rt a l e b 2 9 】对复杂的棘轮实验提出了一些模型，提 出棘轮行为实际上是复杂应力在不同的晶粒，增强基或者位错胞上面的再分配的假设。 s f o l e t t i 3 0 】运用3 d 模型计算了电车线的由于棘轮行为产生的损害，通过模型的建立可以 大大节省科研方面的成本，并且可以计算一些比较极端的情况，但是这些模型的建立都 需要大量的实验来作为基础，所以镁合金在棘轮研究方面还需要积累。 总的说来目前棘轮行为的研究主要是在宏观方面的，通过宏观试验得到的数据建立 本构模型，但是由于棘轮行为的复杂性，各个本构模型的都有自己的局限性，所以这方 面仍然需要继续研究，最理想的本构模型应该使用方便，结构简单。另一方面，虽然棘 轮行为的微观上的现象特征已经得到了各个研究工作者的注意，但是这方面的研究还是 很欠缺，关于这方面的文章几乎没有。研究棘轮行为微观机制，对揭示棘轮行为的微观 本质有很大的帮助，在实际应用时进行寿命评估或者预测的时候有更大的指导意义，并 且根据微观的研究，工程上可以通过改变微观组织结构最大程度的降低棘轮行为产生的 破坏，延长工件的使用寿命，并且减小它的损坏机率。 目前对于棘轮行为微观方面比如晶粒尺寸，织构有效取向( 考虑与载荷方向的关 系) ，初始位错密度、缺陷的存在及分布、第二相的大小、形态、含量及分布等等对棘 轮行为的影响方面的研究还是很欠缺，几乎没有可以参考的文献。但是棘轮行为可以看 成疲劳和二次塑性变形的结合，可以先参考一下微观组织对疲劳的影响。 通过对单晶中的疲劳裂纹的形成和传播的研究，可以肯定单晶是疲劳裂纹萌生的特 定因素，所以晶界是疲劳裂纹产生和传播的地方，这均与材料的微结构有关 3 1 - 3 3 】。k w a i s c h a n 3 4 】明确的写出微观组织如织构，晶粒大小，空洞和非金属第二相的夹杂都会影响 7 1 绪论 硕士论文 疲劳裂纹的产生，多晶体当中由于晶粒方向的不一致，为了协调运动，微观组织使得晶 体内部会产生一种力，从而影响材料的使用寿命。所以晶粒的组织会影响材料在循环载 荷下的行为。刘发信【3 5 】对k 4 1 8 合金的组织对低周疲劳性能的影响研究发现随着晶粒度 的细化，合金的低周疲劳性能提高，这是最直观的反应晶粒度对疲劳寿命的影响，如图 1 7 所示。晶粒平均直径从0 1 m m 依次增加到0 6 7 m m ，1 1 m m ，1 9 m m ，以晶粒平均直 径0 1 m m 的低周疲劳寿命和其他各点相比，其低周疲劳寿命下降值分别为3 l ，“3 ， 8 1 。并且进一步改善合金显微组织中的7 相，使其均匀细小，合金的低周疲劳性能也 得到了很大的改善。由此可以推测合金的晶粒度和晶粒分布的均匀程度对工件的棘轮行 为有很大的影响。 童 占 主 图1 7 不同晶粒度对低周疲劳寿命的影响网 聂德福【3 6 】通过对商用5 m m 厚的轧制a z 3 1 镁合金板进行疲劳裂纹扩展实验发现在 不同的方向镁合金的力学性能有很大的差异，并且做力学拉伸实验时发现，孪生是a z 3 1 镁合金单向载荷作用下的主要的变形方式之一。并且发现a z 3 1 镁合金拉伸过载对疲劳 裂纹扩展产生延迟效应，但是由于材料的塑性变形能力较差，过载时裂纹并未通过塑性 变形产生钝化，而是继续向前扩展，这种现象在实际工程应用中可能会造成灾难性后果， 是不容忽视的。单峰过载时裂纹继续向前扩展一段距离，并偏离原方向一定角度。拉伸 过载后，疲劳裂纹扩展速率明显降低，这是由于过载导致残余压应力增大和裂纹偏折造 成的。 s o t o m ii s h i h a r a 3 7 】对挤压态和轧制态的a z 31 镁合金疲劳行为研究发现，将挤压态 定义为状态e ，将轧制的定义为状态r 。在e 状态中存在少见的薄片状组织，见图1 s a ) ， 1 8 b ) 为轧制组织。将沿着挤压方向的方向定义为p 方向，垂直方向定义为v 方向，则 挤压有e p 、e v 方向。同理延轧制方向定义为r p ，垂直于轧制方向定义为r v 。通过研 究发现e p 方向疲劳测试时很早就会出现裂纹，但是在裂纹累积的过程中，试样还是可 以获得很长的疲劳寿命。在e v 状态时试样也很早现裂纹，但是它不是单个的，而是同 8 硕士论文 单轴拉压循环载荷作用下镬台金韩轮行为研究 时出现很多的裂纹，并且在循环过程中，不断的运动并且合并到一起，所以试样的寿命 很短。在轧制的板材做棘轮试验的时候，r p 和r v 得差异并不明显，但是和e p 有很大 的差距，在试验过程中裂纹很快的萌生，并且长大。所以疲劳寿命远远小于e p 的疲劳 寿命。进一步研究发现e v 和r p 抵抗裂纹长大的能力大致相同。这些主要是因为裂纹 在e p 中传播时，会受到类似于长条状的组织阻碍，具体裂纹传播状态见图1 9 ，这就使 得裂纹的传播的速度变慢，也即延长了疲劳寿命。 这些研究都说明微观结构可以对疲劳产生很大的影响，由此可以推断棘轮行为也会 受到微观组织的影响，但是如何影响以及影响程度这些都需要进行研究。 圉i8 a z 3 l 镁台金的组织结构 三臣邓三臣三 a ) e p 状态 1 4 研究意义及研究内容 b ) e v 状态c ) l i p 状态 图1 9 裂纹萌生和传播的示意图【切 目前的棘轮行为研究大都基于应变控制的循环加载实验分析，而针对应力循环加载 下的实验和分析工作还不多，相关的实验数据仍十分缺乏。虽然棘轮行为的研究已经取 得了部分的成果，但是应用方面还不是很完善，另外棘轮行为的研究需要掌握各个方 面的知识，它和疲劳、蠕变的分界线可能不是很明晰，所以在研究上有一定的困难。目 前m c d o w d l ” ，h a s s a n p 9 郴】，m i g t j n o 4 1 i 康国正，杨显杰，田涛等对常温下s s 3 0 4 不 锈钢、3 1 6 l 不锈钢、i c r l8 n i 9 t i 和紫铜等循环硬化材料的单轴和多轴棘轮行为进行了 一系列的研究ij i a l a g ”删，康国正【州等对1 0 7 0 钢和u t i m n 轨道钢等循环稳定材料的单 轴和多轴棘轮行为进行了实验研究。但是这些研究成果不能直接用于镁合金，主要是镁 1 绪论硕士论文 合金的六方结构，必然导致其与以上材料的棘轮行为有很大的差异。而镁合金广泛的使 用，使得镁合金棘轮行为的研究迫在眉睫，虽然国内有关棘轮行为导致的重大事故还没 有见到相关报道，但是有理由相信由于棘轮行为引起的破坏是非常多的，只是没有引起 足够的重视，或者把它和疲劳、蠕变放在了一起。 目前对镁合金棘轮行为的研究很少，数据相对缺乏，而微观组织对镁合金棘轮行为 的影响研究更少，而研究微观组织( 晶粒度、织构) 对棘轮行为的影响对揭示棘轮行为 的机理是十分需要。这可以为循环服役条件下镁合金构件寿命的预测提供数据，是镁合 金应用可靠性评估的基础工作，并且在通过挤压退火获得不同的晶粒组织，分析这些对 镁合金棘轮行为的影响，有助于实际工程中通过控制元件的生产工艺而获得相应的寿 命，因此开展相关研究具有重要的实际意义。 根据以上研究现状，本论文拟从以下几个方面开展研究： 1 ) 循环加载的载荷对镁合金的棘轮行为的影响。 2 ) 通过挤压和退火得到不同力学性能和微观组织的材料，分析这些因素对棘轮行 为的影响规律。 3 ) 建立镁合金棘轮行为的本构方程。 l o 硕士论文单轴拉压循环载荷作用下镁合金棘轮行为研究 2 实验材料与方法 2 1 实验材料 镁合金根据加工方法可以分为铸造镁合金与变形镁合金，这两种合金在实际中均得 到大量的应用，因此实验中选择了a z 3 1 和a z 9 1 d 两种镁合金，a z 9 1 d 基体中的第二 相会对材料的棘轮行为产生影响，而a z 3 1 属于单相合金，因此选择a z 3 1 作为实验材 料可以避免第二相干扰挤压比和热处理对镁合金棘轮行为影响。 试验采用商用铸态a z 31 镁合金棒材，直径8 0 m m ，化学成分如表2 1 所示。a z 9 1d 镁合金为商用板材，化学成分如表2 2 所示。 表2 1a z 3 1 镁合金化学成分，w t 表2 2a z 9 1 d 镁合金合金成分，叭 2 2 挤压实验 挤压是采用挤压杆将放在挤压筒内的坯料挤出模孔，获得一定端面形状和尺寸的加 工方法。本实验采用正向热挤压。为了消除棒材的内应力，均匀化微观组织，在挤压试 验前进行了均匀化退火处理，采用双级热处理2 2 0 x 1 2 h + 4 0 0 。c x 2 4 h 。a z 3 l 镁合金退 火设备为r x 4 2 0 1 2 箱式电阻炉。退火前后的组织见图2 1 ，从图中可以看出，a z 3 1 镁 合金存在大量的孪晶，并且晶粒非常的粗大。之所以用双级热处理，是为了让第二相更 充分熔解到基体当中去。在2 2 0 保温1 2 h 时，一些低温相先熔解，然后升温继续熔解， 这使得第二相熔解更加充分，最后空冷。 2 实验材料与方法 顿t 论i a ) 原始铸态组织 b ) 邋火后的组织 图21a z 3 1 原始铸态与退火j 亓的组织 挤压是在挤压机y j j 一5 0 0 b 上进行的，挤压机本身带有保温系统可以预热挤压筒。 退火后的试样挤压前在3 2 0 0 c 进行半小时的预热，模具预热2 小时左右。先将模具装备 好，再将试样取出装好。然后以6 m m s 的速度挤出。镁台会的变形对速度很敏感1 4 “， 速度如果太低的话，试样容易发，l 挤不动的现琢，挤压速度太高的话，试样表面会出现 很多的裂纹。实验t j 以一硫化州和机油的混合物作为润滑剂。为了秩得不刚的组纵结构， 挤压采j 三个比8 ，1 6 ，3 2 。对于圊棒挤压实验挤压比是按照以f 公式讣算的： g = ( d 0 肛) 2 ( 2 1 ) 式中：g 为挤压比；d 。为圆筒直径；d 为挤压出的棒材的直径。 2 3 挤压后退火 彭彩虹1 4 6 研究发现经过s l n 变形的a z 3 l b 镁合金在较低温度2 5 0 - 2 8 0 c 退火时，品 粒会先减小后增大，拄退火温度稍高3 0 0 3 5 0 时，晶粒尺寸比较均匀，在高温4 0 0 c 时短时f n j 内晶粒就会发生异常的陡大，为r 得到性能差异比较大的试样，在4 0 0 c 时将 挤压比为3 2 的棒料进行退火退火设备为r x 4 - 2 0 1 2 箱式电阻炉。在4 0 0 c 分别保温 05 h 2 h ，6 h ，咀期获得相同比下不同晶粒组织。 品粒尺寸采用截直线法f 4 7 】进行测量，即通过平均截距妊度获得晶粒尺i r 的方法。 2 4 准静态力学实验 棘轮行为存在塑性变形的累积，也就是试样所受载荷达到了屈服强度。准静态拉伸 实验可以获得镁合会的厢服强度，从而为下步的棘轮实验方案的制订提供依据，也为 下一步分析载荷对镁台金棘轮行为的影莉提供基本数据。 拉伸试验和压缩实验都是宴温f ，在s a n s 万能力学实验机i 。进行的。做拉忡和压 硕士论文 单轴拉压循环载荷作用下镁合金棘轮行为研究 缩实验时，应变速率设为0 0 0 5 m m s 。拉伸和压缩试样的尺寸如图2 2 所示。 2 5 棘轮实验 a ) 拉伸试样 图2 2 拉伸和压缩试样的尺寸 b ) 压缩试样 同一种挤压工艺的棘轮行为试样是从同一个棒材上面线切割下来的，a z 3 1 的试样 的尺寸如图2 3 所示，a z 9 1 d 的试样如图2 4 所示。然后通过18 0 # ，2 8 0 # ，4 0 0 # ，6 0 0 # 等不同粗糙度的金相砂纸进行磨削，主要目的是降低表面粗糙度，消除由于粗加工留下 的表面应力。 图2 3a z 31 镁合金棘轮试样尺寸 p j 图2 4a z 9 1 镁合金棘轮试样尺寸 室温宏观单轴棘轮实验用设备为英国i n s t r o n 8 8 0 1 电液伺服疲劳实验机。操作系统为 1 3 丁圳 2 实验材料与方法硕士论文 m i c r o s o f tw i n d o w sx ph o m ee d i t i o ns e r v i c ep a c k2 。使用f a s tt r a c kc o n s o l e 和s m a x 控 制软件对整个实验过程进行闭环控制和数据采集。实验波形均采用正弦波，如图2 5 所 示。加载频率为1 h z ，实验采用的是应力控制，在实验加载过程中，按时间同步采集位 移和轴向载荷等实验数据。应变采用应变仪在线测量。 。j p _ - ， o 0 2 50 5 00 7 5 t i m e s 1 图2 5 加载波形及参数示意 a z 3 1 棘轮行为试验采取应力控制的方法。通过变化平均应力和幅值应力获得棘轮 宏观数据，具体方案如表2 3 所示。参数的设定，一方面考虑的是使得峰值应力尽量接 近屈服强度或者是超过棘轮的应力门槛值，另一方面是考虑到峰值应力不能超过抗拉强 度。每一加载步循环3 0 0 周。 表2 3a z 3 l 镁合金棘轮行为的实验工况 1 4 i曩旦刁卫id4 硕士论文 单轴拉压循环载荷作用下镁合金棘轮行为研究 a z 9 1 d 镁合金棘轮行为的应力控制方案见表2 4 ： 表2 4a z 9 1 d 镁合金棘轮行为的实验工况 2 6 微观组织观察 镁合金显微组织观察设备为4 x c 显微镜。电解抛光液成分配比：高氯酸1 5 m 1 + 7 , 醇 1 8 0 m l + 乙二醇5 0 m l ；在电压2 0 v 的条件下，电解抛光9 0 s 左右，然后从电解液中取出， 立即放到大量清水中进行清洗。腐蚀液配比：5 9 苦昧酸+ 1 0 0 m l 无水乙醇+ 5 m l 乙酸+ 1 0 m l 蒸馏水，腐蚀时间大概在1 5 s 左右，腐蚀过后立马用水清洗，然后用酒精冲洗，再进行 吹干。 1 5 3 挤压比及随后退火对a z 3 1 镁合金微观组织与拉伸性能影响硕士论文 3 挤压比及随后退火对a z 3 1 镁合金微观组织与拉伸性能影响 挤压是镁合金塑性变形的一个重要的方法，同锻造、轧制相比，工件在挤压筒中具 有更加强烈的三向应力状态，金属可以发挥最大的塑性，对于塑性变形能力较差的镁合 金来说，挤压工艺可以有效地细化镁合金的组织，提高镁合金的强度和塑性【4 引。 除了塑性变形，退火处理也是改变材料微观组织和力学性能的重要的工艺，它是将 金属加热到所需要的温度，保温一定的时间，随后按照