铝镁合金力学性能及微观变形行为研究

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铝镁合金凭其优异的比强度、耐蚀性、抗疲劳性及良好的工艺性等特点,在微电子器件、轻量化交通、航空航天等领域受到广泛青睐。然而在金属成型工艺中,材料内部不可避免地会产生孔洞、微裂纹等缺陷。它与金属的力学性能及微观结构损伤有着密切关系。因此,探究铝镁合金的力学性能与微观缺陷演化之间的关系对调控材料组织结构、设计高性能铝合金材料具有重要意义。本文建立了含孔洞单晶及无缺陷多晶铝镁合金模型,运用分子动力学方法(Molecular Dynamics,MD)从原子尺度揭示了铝镁合金材料在不同服役条件下的拉伸性能及微观塑性机理。具体研究内容如下:(1)采用MD模拟研究了含孔洞单晶铝镁合金在拉伸载荷下的力学行为,探究了镁含量、孔洞尺寸和温度对其力学性能及塑性机制的影响。分析了材料在屈服变形阶段的位错形核及孔洞演化行为。结果表明:镁含量对单晶体系屈服强度的影响较弱,而在塑性变形中,随着镁含量增加,孔洞体积分数明显下降,当镁含量大于5%时,孔洞体积分数对镁表现不敏感。其作用机理可用体系的位错密度和孔洞周围的层错分布来解释。在不同孔径中,孔洞尺寸诱导的屈服强度下降规律与Lubarda理论模型相符合。同时,大孔洞体系缓慢的位错增长速率导致了体系更长的应力释放过程。在温度效应中,材料的力学性能对温度表现十分敏感。(2)采用MD模拟了双孔洞单晶铝镁合金在拉伸载荷下的力学行为,揭示了不同孔径和孔间距作用下体系的塑性演化机理。结果表明:当孔间距恒定时,相比单孔洞体系,随着孔径的增大,双孔洞体系屈服强度的下降幅度更为显著。在塑性变形中,孔洞尺寸对孔洞体积分数主要存在数值影响。当初始孔径恒定时,合金体系的屈服强度随孔间距的增大呈轻微提高。孔间距对体系初期的塑性变形影响较大,表现为小孔间距体系下主要由孔洞之间“韧带”区一侧的孔洞表面发射位错到较大孔间距下由孔洞表面均匀发射位错的模式转变。相比小孔间距体系,大孔间距体系拥有更高的位错密度。(3)基于MD模拟研究了纳米多晶铝镁合金力学性能的晶粒尺寸依赖性,探究了多晶铝镁合金在不同温度以及应变率效应下的拉伸力学行为。通过对比材料的应力-应变曲线、原子微观结构演化图等,分析了温度及应变率对不同晶粒尺寸试样塑性机制的影响。结果表明:材料的屈服强度随晶粒尺寸的增大而提高。在多晶体系的温度效应中,所有试样的力学性能变化规律趋近一致,即屈服强度和弹性模量随温度的升高而下降。在低温下,体系更易产生层错带,随着温度升高,层错带数量下降明显,最终转变为晶界结构的剧烈变形。然而,大晶粒尺寸体系塑性转变的温度阈值明显高于小晶粒尺寸体系。此外,增大应变率有助于体系内位错的增殖与堆叠,从而提高其屈服强度,但位错增殖程度受晶粒尺寸影响较大。本文系统地研究了含孔洞单晶铝镁合金在拉伸载荷下缺陷的演化机理,还探究了不同晶粒尺寸的多晶铝镁合金在不同温度和应变率影响下的塑性机制。研究结果为指导改善铝合金微观结构以及材料性能优化提供一定参考意义。
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