室温下形变孪晶和织构对纯镁力学行为影响的数值研究

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镁合金是一种轻质的金属材料,能够替代其他结构材料减轻结构重量,在交通运输领域尤其是汽车领域具有重大的应用潜力。清楚了解镁合金变形机制将对镁合金的应用具有重要意义。镁合金的变形机制复杂,形变孪晶对其变形行为有着重要的影响,同时镁合金经过加工后呈现一定织构特征,织构对其力学行为有显著的影响,通过织构调整来提高镁合金力学性能已经成为目前镁合金研究领域的一个热点。  本文基于晶体塑性理论,建立了一个以滑移、孪晶作为塑性变形方式,同时考虑孪晶内滑移的纯镁单晶弹-粘塑性本构模型,并在有限元软件ABAQUS的用户子程序UMAT中数值实现上述模型。利用该模型对单晶镁不同取向的室温平面压缩试验进行了模拟,分析了不同取向下变形机制的演化规律,结果表明:变形机制与取向密切相关,表现出强烈的各向异性特征;拉伸孪晶在特定取向下能够提供晶粒在c方向的伸长的变形,并引起取向的改变,在达到饱和孪晶体积分数之后,孪晶内会出现晶内滑移;建立了表征单晶塑性变形能力的塑性“损伤”因子,能在一定程度上预测镁塑性变形能力。  利用上述的单晶模型,采用Taylor形式的均匀化假设,建立多晶纯镁有限元模型,模拟了具有随机织构特征的纯镁在单向拉伸、单向压缩以及等径角挤压下织构的演化规律。结果表明变形方式对于纯镁的织构演化有重要的影响,经过不同的变形方式会生成不同的织构特征。同时对具有传统挤压织构、轧制织构、等径角挤压织构以及随机织构特征的多晶纯镁在常见变形方式下的力学行为进行了数值模拟,进一步研究织构对其力学性能的影响。模拟结果显示,多晶纯镁的力学行为与织构以及加载方式密切相关:传统挤压、轧制织构以及等径角挤压织构的纯镁均表现出明显的各向异性特征;镁在特定织构下进行特定方向的变形时,会出现孪晶变形,孪晶变形会引起应力应变曲线的三段硬化特征,并且导致织构的快速转变;等径角挤压织构的纯镁在沿挤压方向进行单向拉伸时表现出较好的塑性变形能力,原因在于其特殊的织构特征,变形时最容易开动的基面滑移处于有利取向;利用前文建立的塑性损伤因子,对各种情况下的塑性变形能力进行了考量,结果表明不同织构下纯镁表现出不同的塑性变形能力,即使在相同的织构特征下,也表现出明显的各向异性特征。
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