近期，北京科技大學的解清閣副研究員、王沿東教授、楊平教授和芬蘭阿爾托大學的連軍賀助理教授，聯(lián)合匈牙利的Jurij Sidor教授、重慶大學的孫豐偉副教授、廣東新材料研究所的閆星辰博士、上海大學的陳超越副教授及美國橡樹嶺國家實驗室的安科研究員等人，就AA6061鋁合金的大變形損傷機理進行了系統(tǒng)研究，其相關(guān)結(jié)果已在金屬材料領(lǐng)域頂級SCI期刊Acta Materialia上發(fā)表。

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Crystallographic orientation and spatially resolved damage in a dispersion-hardened Al alloy （https://doi.org/10.1016/j.actamat. 2020.03.049）該文為研究金屬大變形塑性損傷提供了新的方法和思路。

研究人員發(fā)現(xiàn)AA6061鋁合金在經(jīng)歷兩階段拉伸（Tension1, Tension2），以及隨后分別進行的疲勞加載（cyclic test 1, cyclic test 2）過程中出現(xiàn)了材料后期瞬間失效的現(xiàn)象。然而，該失效行為通過宏觀應(yīng)力-應(yīng)變曲線無法預警，如圖1所示。

圖1 研究材料的宏觀力學加載曲線，圖b的紫色線表示材料瞬間失效

對于該力學損傷和失效行為，研究人員使用原位中子衍射等先進材料手段進行了系統(tǒng)表征后發(fā)現(xiàn)，材料在第二次拉伸后的疲勞加載過程中，其承載能力在疲勞的拉伸卸載階段出現(xiàn)迅速降低，如圖2所示。我們知道：材料承載和其在外力下的彈性點陣應(yīng)變成正比。而在第二階段疲勞加載（cyclic test 2）過程中的拉伸卸載階段，可以明顯觀測到其彈性點陣應(yīng)變出現(xiàn)迅速降低的現(xiàn)象，其表明材料的微觀損傷（微裂紋）在拉伸卸載階段得到迅速擴展，進而導致其承載能力出現(xiàn)迅速降低趨勢：材料的承載能力降低速度在拉伸卸載時可快于外力卸載速度，進而促進損傷擴展。

圖2 材料的彈性點陣應(yīng)變在兩階段疲勞載荷的表現(xiàn)

在對上述加載及失效行為進行系統(tǒng)性分析后，研究人員得出以下四個關(guān)鍵結(jié)論：

材料內(nèi)部的微孔洞（損傷）分布和失效后的殘余點陣應(yīng)變分布存在內(nèi)在聯(lián)系。如圖3所示，把失效后的微孔洞分布和殘余點陣應(yīng)變分布分別在極圖上表達后發(fā)現(xiàn)，其兩者分布呈高度相似現(xiàn)象。

圖3 材料失效后的殘余點陣應(yīng)變分布和微孔洞分布的關(guān)聯(lián)性

上述殘余點陣應(yīng)變的分布主要是由于大變形導致的滑移帶內(nèi)殘余點陣切應(yīng)變造成的。如圖4所示，通過EBSD表征可發(fā)現(xiàn)，失效后的材料內(nèi)部存在大量滑移帶形貌。由于大變形對應(yīng)的{111}滑移面上的剪切變形，失效后在滑移面上必然殘留切應(yīng)變。這樣一來，{111}滑移帶上的殘余點陣切應(yīng)變可使得{002}面對應(yīng)殘余點陣拉應(yīng)變，而{110}和{420}面對應(yīng)殘余點陣壓應(yīng)變，這一現(xiàn)象與實驗測量結(jié)果圖3相吻合。

圖4失效后EBSD表征的滑移帶形貌以及滑移帶上殘余點陣切應(yīng)變和測量的點陣應(yīng)變關(guān)聯(lián)機理

實驗觀察到的滑移帶形貌是由于材料內(nèi)部的硬質(zhì)顆粒導致的。硬質(zhì)顆粒會給材料的均勻變形產(chǎn)生擾動，從而促進不均勻變形，進而導致EBSD滑移帶形貌（帶狀組織）。圖5為課題組通過考慮和不考慮硬顆粒計算得到的EBSD微觀組織形貌，上述兩個計算的微觀組織形貌演變見動畫1和動畫2。

圖5 計算得到的沒有硬顆粒和有硬顆粒對應(yīng)的形變EBSD微觀組織

晶粒尺度上，材料的損傷和晶粒的泰勒因子成正比。詳細分析和討論見文章全文。

在研成果預告

該文章的第一作者解清閣博士和廣東省新材料研究所閆星辰博士，聯(lián)合愛爾蘭科學家目前正在對典型增材制造工藝（選區(qū)激光熔化、冷噴涂增材制造等）對應(yīng)的微觀組織和力學性能關(guān)聯(lián)機理開展計算和實驗研究。圖6為課題組的初步結(jié)果。感興趣的讀者可關(guān)注相關(guān)人員近期的論文和軟件著作權(quán)進展。

圖6 課題組開發(fā)的選區(qū)激光熔化微觀組織預測結(jié)果和實驗微觀組織對比

相關(guān)動畫

動畫一

動畫二