摘要
变形镁合金以高比强度、高比刚度和良好的电磁屏蔽特性等优势在航空航天、汽车工业以及通讯设备等领域拥有广阔的应用前景，受到极大关注。由于该类合金通常具有密排六方晶体结构，导致滑移系有限，各向异性倾向较强，室温下塑性变形能力不足，从而制约了其加工与应用。探究镁合金塑性变形中的机制、内在规律以及对力学行为的影响，成为改善变形镁合金塑性加工性能和使用性能研究的重要课题。除位错滑移之外，孪生机制在变形镁合金塑性加工和使用中的作用十分重要。 本文以AZ31B镁合金的孪生机制为主要内容，基于晶体学取向及对称性分析，编制出稳定可靠的镁合金孪晶变体识别程序，研究了拉伸塑性应变过程中一次孪生类型选择和孪晶变体选择行为规律、机制及晶体取向的影响，并利用扫描电镜-电子背散射衍射（Scanning electron microscope-Electron backscatter diffraction，SEM-EBSD）原位测试技术分析了不同应变下AZ31B镁合金塑性变形机制特征;研究了AZ31B镁合金塑性变形过程中的Bauschinger效应以及低周期疲劳行为规律和机制。获得的主要结果如下: 1.通过分析挤压方向拉伸变形样品的一次孪生类型选择行为和孪晶变体选择行为，结果表明，相对于拉伸轴，反极图中启动{10-11}压缩孪生的变形晶粒取向范围要高于{10-12}拉伸孪生所在变形晶粒取向范围，开动的{10-11}压缩孪晶变体Schmid因子的平均值大于{10-12}拉伸孪晶变体;随着拉伸应变量增加，两类孪晶数量不断增加，{10-11}压缩孪晶数量的增加速率要高于{10-12}拉伸孪晶，原因在于，多晶体Schmid因子分布中{10-11}压缩孪生Schmid因子的平均值高于{10-12}拉伸孪生，启动{10-11}压缩孪生所需的分切应力增加更为迅速;虽然{10-12}拉伸孪晶变体选择仍然与Schmid因子排序高度相关，但Schmid因子准则在判定孪晶变体选择上不是唯一要素，{10-11}压缩孪晶变体选择的非Schmid因子作用倾向比{10-12}拉伸孪晶更为严重。 2.对拉伸变形过程进行SEM-EBSD原位观察表明，临界剪切应力(Critial resolved shear stress，CRSS)最小的基面<a>滑移系启动较早，在塑性变形中占主导地位。分析认为，柱面<a>和锥面<c+a>滑移可以在高应力状态下并具有高Schmid因子的晶粒中启动，或以孪晶变体选择的应变协调机制开动。在塑性变形过程中，各个晶粒的内核平均取向差（Kernel average misorientation，KAM）分布差异较大，位错滑移优先在小晶粒内启动，并引起晶界附近的局部塑性应变集中。随着应力/应变增加，{10-12}拉伸孪生和{10-11}压缩孪生都开动且不断长大。由于较低的CRSS，{10-12}拉伸孪生的开动早于{10-11}压缩孪生。基于应变协调理论分析发现，提出的局域Schmid因子(Local Schmid Factor，LSF)和应变协调因子(Strain accommodation factor,SAF)作为孪晶变体选择的判据与实验结果符合较好，出现的变体一般都具有最低的应变协调因子。 3.通过研究合金在不同预应变量和应变速率下的力学行为发现，卸载过程的Bauschinger-like效应和反向加载的Bauschinger效应在拉伸-卸载-压缩模式下与压缩-卸载-拉伸模式下存在显著不同。对于拉伸-卸载-压缩模式，卸载过程的Bauschinger-like效应在高预应变量（16％和20％）下存在应变速率敏感性;对于压缩-卸载-拉伸模式，卸载时应变速率敏感性不明显。在拉伸-卸载-压缩模式下，施加低预应变量（8％和12％）时，Bauschinger效应的应变速率敏感性高，并随应变速率增加显著上升;在压缩-卸载-拉伸模式下，Bauschinger效应随着预应变量增加而降低，但是应变速率对其没有影响。通过对变形组织的分析发现，上述两种类型的Buaschinger效应均与祛孪生活动有关。 4.通过开展非对称应力控制的低周期疲劳实验发现，峰值应力对塑性应变幅影响显著，塑性应变幅随着峰值应力增加而上升，大量位错和孪晶同时启动，它们之间的交互作用导致循环硬化现象发生，疲劳寿命显著降低。加载频率对循环稳定阶段的塑性应变具有影响，且较为复杂:加载频率越低，相同周次的应力-应变响应越滞后，棘轮应变速率越高，并且随峰值应力的降低而减小。基于能量密度模型的寿命分析表明，塑性应变能量密度在总应变能量密度中占主导，频率对寿命的影响是通过循环变形中能量耗散实现的。
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