金属镁具有密度小、比强度高、减震降噪的特点,主要应用于航空航天、轨道交通和电子产品等产业。然而由于镁的晶体结构为密排六方且电极电位较低,可开动滑移系较少,其强度低、塑性差、耐腐蚀性不佳。金属铝储量丰富,铝合金具有良好的塑性和耐腐蚀性,工程应用极为广泛。采用轧制方式将镁合金和铝合金制备成镁/铝层合板可以有效发挥两种金属的优势,提高其综合性能,极具应用前景。然而,镁/铝轧制结合机理不清晰和力学性能不佳仍是国内外学者面临的共性难题。本文通过功函数研究小压下率时镁/铝异种金属轧制结合机理,并开展镁/铝层合板大压下率轧制复合研究,分析其组织性能演变规律和强化机理。具体研究内容如下:
(1)采用ABAQUS软件进行镁/铝层合板小压下率(10%、14.5%、19%、23.5%、28%)轧制过程仿真,研究了轧制变形区温度、正应力、摩擦剪切应力和等效塑性应变的变化规律,分析两种金属的轧制复合状态和塑性变形行为,探究小压下率时复合状态与应力场之间的关系。明晰了小压下率区间镁/铝层合板的不同复合状态及其相应的应力-应变条件。
(2)采用镁/铝异种材料不同晶面的功函数分析其结合机理。基于Materials Studio软件平台,采用以密度泛函理论为基础的CASTEP(Cambridge Sequential Total Energy Package)模块对不同晶面的镁和铝进行晶胞建模;采用VASP(the Vienna ab initio simulation package)软件计算各超胞的电子间交换关联能,并基于广义梯度近似(GGA)理论进行几何结构优化;最后对上述晶体结构充分弛豫,并通过自洽和非自洽计算分别得到各晶面的真空能级和费米能级,进而计算得出镁和铝各个晶面功函数的数值。
(3)采用单道次小压下率(10%-30%)热轧开展镁/铝层合板轧制复合实验,结果表明,镁、铝异种材料存在三种复合状态和两个临界复合点,即,轧制压下率小于14.5%时(临界复合点I),镁/铝异种金属完全不复合;压下率为14.5%-21.75%时,镁/铝异种金属部分复合;压下率大于21.75%(临界复合点II)时,镁/铝异种金属完全复合。采用电子背散射衍射技术分析处于临界复合点时界面的微观组织特征,发现临界复合点I时主要组成为变形亚结构,临界复合点II时主要组成为变形组织。此外,随着压下的增大,亚稳态的亚结构减少,复合点II出现剪切带。由于塑性变形量小,两个临界复合点的主要变形机制为位错滑移。
(4)为进一步研究小压下率的复合机理,统计两个临界复合点镁/铝结合界面各个晶面占比并获得临界复合点时的电子力,计算镁和铝功函数的变化规律,分析不同压下条件下宏观正应力和微观电子力之间的响应特征。基于能量最低原理,结合久保公式构建电子力与外部扰动(正应力)的线性关系,在复合临界点I处为克服镁势垒实现部分复合,在复合临界点II处为克服铝势垒实现复合,该结论与小压下率实验临界点具有较好的一致性。
(5)研究40%、50%、58%、66%大压下率单道次热轧镁/铝层合板的轧制变形行为和组织性能。显微组织分析结果表明,随着压下率的增大,组织由拉伸孪晶、压缩孪晶演变为再结晶。力学性能测试结果表明,层合板的拉伸强度和塑性随压下率增大而逐步提高,且66%压下率时的镁/铝层合板屈服强度达到328MPa,伸长率达到14.65%,较原始镁板分别提高60%%和7.6%,较原始铝板屈服强度提高80%,伸长率降低4.7%。研究分析镁/铝层合板随着压下率增大强度和塑性同步提升的机理,发现镁层双峰结构的出现导致界面附近产生长程背应力,进而层间界面的高密度增强背应力硬化及镁/铝异质形变诱导硬化导致强度增加。层合板延展性随压下率增大而提升主要归因于局部颈缩的抑制增强并且延迟了局部颈缩,同时由于相邻层施加的相互约束增大而导致的均匀变形增强。
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