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论镁合金孪生变形的影响因素 0 镁合金的力学性能 由于镁合金具有独特的优越性，如高比强度和刚度、良好的工艺性能和可回收回收利用，是目前最具潜力的金属结构材料。它已成为研究的热点，在电子、汽车、航空等领域具有广阔的应用前景。但是与其他结构材料相比,镁合金在室温下的延性和强度较低。镁合金具有密排六方晶体结构(HCP),室温下滑移系较少,孪生变形是其重要的塑性变形协调机制。深入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。 1 由镁合金转化为金的塑料机制 1.1 hcp金属的滑移系 对于多晶体材料来说,均匀的塑性变形需要5个独立的滑移系,即von Mises法则。密排六方结构晶体结构中最常见的2个Burgers矢量是a和c+a,可能的滑移系见图1及表1。HCP金属中最常见的2个滑移系是基面滑移和柱面滑移,提供4个独立的滑移系。由a位错沿锥面滑移提供的4个独立滑移系在晶体学上等效于上述4个独立滑移系在基面和柱面上的交滑移。 当c+a位错的滑移系启动时,可以独自提供5个独立的滑移系来满足von Mises法则。 1.2 其他基面滑移系激活 纯镁及大部分镁合金都具有HCP晶体结构,主要变形机制是基面滑移、棱柱面滑移、锥面滑移、孪生变形和晶界滑移等。在室温进行塑性变形时,由于柱面和锥面滑移的临界剪切应力 (CRSS) 远高于基面滑移的,因而不易被启动,镁合金的主要塑性变形机制为(0001)11ˉ20(0001)112ˉ0基面滑移(3个密排方向a1=1/3[ˉ1ˉ120]a1=1/3[1ˉ1ˉ20]、a2=1/3[2ˉ1ˉ10]a2=1/3[21ˉ1ˉ0]和a3=1/3[ˉ12ˉ10]a3=1/3[1ˉ21ˉ0]组成了2个独立滑移系),提供垂直于c轴方向的应变。但是当基面平行于载荷方向时,Schmid因子约为0,很难发生基面滑移,如基面平行于拉伸轴时,这种织构提供的基面滑移的Schmid factor较小,材料表现出强化效应。镁合金基面滑移只能提供2个独立的滑移系,不能满足von Mises对于协调塑性变形的要求。因此镁合金在室温附近进行塑性变形时必须由其他基面和锥面滑移系激活。镁及其合金中的复杂变形机制,如孪生、非基面滑移和晶界滑移,也可能出现在室温下,与晶粒尺寸、应力状态等因素有关。 随着温度的上升,非基面滑移的临界应力急剧下降,非基面滑移被激活,从而有效提高镁合金的热加工性能。镁合金中非基面滑移的激活具有以下特征: (1)非基面滑移是热激活过程。激活柱面滑移、一级锥面滑移和二级锥面滑移需要的温度分别在450K、623K和573K以上。 (2)非基面滑移与应变速率有关。柱面滑移是应变速率控制的变形机制。 (3)激活非基面滑移需要高的应力,如晶界处的高应力集中。应力集中源于位错在晶界后面的堆积与相邻晶粒之间大的塑性变形协调应力。Koike研究发现非基面滑移主要发生在晶界区域。Koike等认为,协调变形引起的附加应力可以促进激活非基面滑移,观察到非基面滑移位错占总位错密度的40%,表明非基面滑移在变形机制中扮演着重要的角色。 升高变形温度、细化晶粒和合金化通常可以促进非基面滑移,从而有效改善延性。Koike等发现,晶粒细化可以有效激活晶界处的棱柱面滑移,因为晶粒细化可以促进晶界处的应力集中,满足棱柱面滑移的临界切应力(CRSS),从而促进棱柱面滑移。Yasumasa等的研究表明,晶粒尺寸小于10μm时可有效激活晶界处的柱面滑移,使镁合金延性增加。 此外,晶界滑移(Grain boundary sliding,GBS)也是镁合金的塑性变形机制之一。Ashby提出:在2个取向不同的相邻晶粒之间,晶界区域可以通过所谓的几何必须位错起到协调塑性变形不相容的作用,即所谓的晶界滑移。在细晶镁合金中很容易发生GBS,有利于应力松弛,是应力松弛的机制。但GBS在粗晶镁合金中很少出现,促进粗晶镁合金应力松弛的主要机制是压缩孪晶。GBS应力松弛的能力比压缩孪晶高,因此与粗晶镁合金相比,细晶镁合金呈现出更高的延性。镁合金在室温下也可能会发生GBS。Koike等研究了在室温下拉伸变形过程中GBS对总拉伸应变的贡献,表明由GBS引起的应变占总应变的8%(拉伸速率为1.0×10-3s-1,晶粒尺寸为8μm)。 2 hcp晶体结构热变形机制 孪生变形的临界切应力(CRSS)远高于滑移变形,因此,对于滑移系较多的体心和面心立方金属,只有当变形温度很低、应变速率极高或因其它原因使滑移受阻时,孪生才能成为塑性变形的主要机制。在3种典型金属结构中,六方晶系金属的滑移系较少,且六方晶系的孪生剪切应变S比较低,孪生引起的应变能与S