镁合金薄板基于平面应力状态的变形机理及力学行为研究

Compared with steel and aluminum alloys, the elongation and formability of magnesium alloy sheets do not present an obvious positive relationship. The mechanism and constitutive model obtained by uniaxial tensile test cannot accurately explain and describe the stamping deformation of magnesium alloy sheets under plane stress. To solve this problem, this work will focus on the deformation behaviors of magnesium alloy sheets under plane stress condition by biaxial tensile test. The main research contents include the effects of processing technic and initial microstructure on the microstructure evolution of magnesium alloy sheets under plane stress condition. This work will investigate the effects of processing technic, microstructure and their interaction on deformation mechanism of magnesium alloy sheets under plane stress, and analyze the coordinative mechanism of basal slips, non-basal slips and twinning. In addition, this work will also investigate the mechanism of slip and secondary twinning in twins, and the contribution of twinning to the formability of magnesium alloy sheets. Then, this work will investigate the stress - strain relationship and yield behavior, and build the constitutive equation based on plane stress condition. The research achievements have important theoretical meaning, which promote the theory of plastic deformation of magnesium alloys. Moreover, the achievements have a great engineering application value and will provide theoretical basis and guidance to control the microstructure and design the deformation methods of magnesium alloy sheets.

镁合金薄板的延伸率与冲压成形性能不像钢与铝合金一样存在明显的正向关系，目前基于单轴拉伸的变形机理和本构模型,无法准确解释和描述镁合金薄板受平面应力时的冲压变形。针对此问题，项目基于双轴拉伸实验对镁合金薄板平面应力状态下的变形行为展开研究。主要研究平面应力状态下的变形工艺和初始组织状态对镁合金薄板微观组织的影响机理与规律；研究变形工艺、板材组织对平面应力状态下镁合金薄板变形机制的影响及其交互作用，分析基面滑移、非基面滑移、孪生的协调塑性变形机制；研究孪晶组织中的滑移与二次孪生的变形机理，探讨孪生行为对织构化镁合金薄板冲压成形性能的贡献；研究变形过程中的应力应变关系和屈服行为，建立基于平面应力状态的本构模型。本项目的研究成果具有重要的理论意义，可促进镁合金塑性变形理论的发展；同时也具有较强的潜在工程应用价值，可为镁合金板材的组织控制和成形工艺设计提供理论基础和指导。

镁合金薄板的延伸率与冲压成形性能不像钢与铝合金一样存在明显的正向关系，目前基于单轴拉伸的变形机理和本构模型,无法准确解释和描述镁合金薄板受平面应力时的冲压变形。针对此问题，项目基于双轴拉伸实验对镁合金薄板平面应力状态下的变形行为展开研究。首先在研究材料方面，选用了强基面织构的AZ31B镁合金板材，以及通过微合金制备的AZ31B-Ca、Mg-Zn-Ca-Ce等弱基面织构镁合金薄板。其次在实验装置方面，开发了多种塑性变形原位观测的实验装置，利用这些装置并结合SEM、EBSD 等手段对镁合金单轴及双轴应力状态下的变形行为进行了原位观测研究。. 利用改进后的广义施密特因子对镁合金变形机制易激活性的研究表明，在不同应力状态下各变形机制的易激活性将发生明显变化。加载条件的变化会导致镁合金内部主导变形机制的变化，所表现出的力学响应也随之发生显著变化。双轴拉伸应力状态下柱面滑移和拉伸孪晶的激活将受到明显抑制，少量拉伸孪晶的出现也进一步阻碍了柱面滑移的开动。而单轴拉伸应力状态下拉伸孪晶的出现则不会对其它变形机制的开动带来明显的影响。这些现象是应力状态的变化与强基面织构取向综合作用的结果。将聚焦离子束扫描电镜(FIB)表面微加工方法与数字图像处理程序相结合，发现了镁合金室温成形过程中微观应变分布的极不均匀性，且这种不均匀性明显强于单轴拉伸应力状态。基于对施密特定律进行的创新性改进，结合基于物理意义对晶间变形协调行为计算方法的扩展以及对镁合金多种应力状态下变形行为的总结，建立了适用于镁合金初始屈服准则。. 本项目的相关研究成果，揭示了密排六方镁合金板料塑性变形中应力状态对变形机理的影响，促进了镁合金塑性变形理论的发展，为镁合金薄板组织控制与二次成形工艺设计提供理论基础和科学依据。本项目共发表高水平学术论文18篇。申请发明专利6项，其中授权3项。培养研究生6人，其中博士研究生4人，硕士研究生2人。获中国有色金属工业科学技术奖一等奖1项。