楊素麗 符師樺? 蔡玉龍 張迪 張青川?

1)(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),中國科學(xué)院材料力學(xué)行為與設(shè)計(jì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,合肥230027)2)(北京科技大學(xué),新金屬材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100083)

基于數(shù)字圖像相關(guān)法的Mg含量對(duì)A l合金P rotein-Le Chatelier效應(yīng)影響的實(shí)驗(yàn)研究?

楊素麗1)符師樺1)?蔡玉龍1)張迪2)張青川1)?

1)(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),中國科學(xué)院材料力學(xué)行為與設(shè)計(jì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,合肥230027)2)(北京科技大學(xué),新金屬材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100083)

(2016年12月5日收到;2017年1月17日收到修改稿)

利用數(shù)字圖像相關(guān)法研究了常溫與恒定應(yīng)變率(5.00×10?3s?1)下Mg含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別為2.30%,4.57%,6.10%及6.91%四種A l-Mg合金Portevin-Le Chatelier(PLC)效應(yīng)的宏觀變形行為.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),Mg含量的增加導(dǎo)致強(qiáng)化效果的增強(qiáng);低Mg含量(2.30%)合金中鋸齒跌落幅值基本保持不變,而在高M(jìn)g含量(4.57%,6.10%,6.91%)合金中隨應(yīng)變?cè)黾佣黾?鋸齒跌落幅值隨Mg含量增加而逐漸增大,在高M(jìn)g含量合金中趨于飽和.宏觀局域變形帶的觀察結(jié)果表明PLC帶寬不隨Mg含量或者應(yīng)變改變而變化,帶內(nèi)變形量隨著Mg含量或者應(yīng)變的增加而逐漸增大.此外,在低Mg含量合金的加載曲線后段(應(yīng)變約為0.3時(shí))觀測(cè)到了特殊的周期性的衰減鋸齒,相應(yīng)的時(shí)域PLC帶演化表明加載曲線的周期性轉(zhuǎn)變大鋸齒對(duì)應(yīng)著空間上PLC帶的轉(zhuǎn)向,幅度逐漸減小的振蕩對(duì)應(yīng)著PLC帶的傳播,且在轉(zhuǎn)向前后PLC帶均向上連續(xù)傳播.

Portevin-Le Chatelier效應(yīng),數(shù)字圖像相關(guān)法,Mg含量,動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效

1 引言

Portevin-Le Chatelier(PLC)效應(yīng)是鋁合金[1?3]、鋼[4,5]以及鎳基高溫合金等[6,7]合金材料在一定溫度或加載應(yīng)變率下出現(xiàn)的一種塑性失穩(wěn)現(xiàn)象.它在時(shí)域上表現(xiàn)為應(yīng)力-時(shí)間曲線的鋸齒形和空域上的局部應(yīng)變-時(shí)間曲線的階梯狀現(xiàn)象,同時(shí)會(huì)在試件表面形成局域變形帶,稱為PLC帶[8,9].根據(jù)鋸齒形狀的不同,一般將鋸齒類型劃分為三類[10?12]:A類鋸齒位于應(yīng)力曲線包絡(luò)上方且應(yīng)力跌落幅值小,鋸齒稀疏,對(duì)應(yīng)著連續(xù)傳播的A類PLC帶,通常發(fā)生在高應(yīng)變率或低溫下;C類鋸齒位于應(yīng)力曲線包絡(luò)下方且應(yīng)力跌落幅值大,鋸齒較密,對(duì)應(yīng)著隨機(jī)出現(xiàn)C類PLC帶,通常發(fā)生在低應(yīng)變率或高溫下;B類鋸齒在應(yīng)力上下包絡(luò)曲線之間振蕩,應(yīng)力跌落幅值以及鋸齒疏密介于A類與C類之間,對(duì)應(yīng)跳躍傳播的B類PLC帶,通常發(fā)生在中間應(yīng)變率或溫度下.PLC效應(yīng)最為認(rèn)可的微觀機(jī)制是動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效,即溶質(zhì)原子和可動(dòng)位錯(cuò)的動(dòng)態(tài)相互作用.可動(dòng)位錯(cuò)在運(yùn)動(dòng)過程中被一些障礙(林位錯(cuò),析出相等)阻攔,在等待時(shí)間內(nèi)溶質(zhì)原子通過擴(kuò)散的方式向可動(dòng)位錯(cuò)偏聚,達(dá)到一定數(shù)量后對(duì)可動(dòng)位錯(cuò)實(shí)施釘扎.在外加應(yīng)力場(chǎng)的作用下,可動(dòng)位錯(cuò)跨過障礙實(shí)現(xiàn)脫釘,直至下一次被釘扎,這種反復(fù)的“釘扎-脫釘”過程形成了周期性鋸齒形應(yīng)力曲線和試件表面反復(fù)出現(xiàn)的PLC帶[13?18].

A l-Mg合金由于良好的力學(xué)性能及優(yōu)異的耐腐蝕性能在汽車制造業(yè)以及航空、航天等領(lǐng)域都有著廣泛應(yīng)用,但其在服役過程中出現(xiàn)的鋸齒流變現(xiàn)象不僅會(huì)造成材料表面的粗糙化,影響材料的外觀,還會(huì)影響材料的力學(xué)性能[19].近年來研究者針對(duì)A l-Mg合金PLC效應(yīng)進(jìn)行了研究.曹鵬濤等[20]利用紅外測(cè)溫法觀察了A l-2.5%Mg合金三種PLC帶局部和全場(chǎng)的溫度演化特征,發(fā)現(xiàn)隨著應(yīng)變率的增加,試件表面的溫升會(huì)逐漸增加,其變化趨勢(shì)也由鋸齒狀轉(zhuǎn)化為臺(tái)階狀.Bernard等[21]研究了5754 A l-2.6%Mg合金變形過程中局域變形與溫升之間的關(guān)聯(lián),發(fā)現(xiàn)局域應(yīng)變?cè)隽恳约跋鄳?yīng)的溫度增量峰值隨施加應(yīng)變呈同一線性增長(zhǎng)趨勢(shì).Fu等[22,23]提出A l-Mg合金中PLC效應(yīng)的正反常兩種臨界應(yīng)變機(jī)制,在高應(yīng)變率或低溫下,觀察到具有正常的臨界應(yīng)變行為的向上鋸齒;在低應(yīng)變率或高溫下,觀察到具有反常的臨界應(yīng)變行為的向下的鋸齒;ZheMchuzhnikova等[24]分析了A l-6%Mg合金中析出相對(duì)鋸齒類型以及變形帶的影響,發(fā)現(xiàn)合金在整個(gè)應(yīng)變率范圍內(nèi)三種PLC帶傳播模式均存在;Cai等[25]給出了A l-4.5%Mg合金PLC帶的三維變形特征,并發(fā)現(xiàn)應(yīng)力跌落幅值與帶內(nèi)最大應(yīng)變呈現(xiàn)正比例關(guān)系,且與試件厚度無關(guān);Mg作為A l-Mg合金中的主要溶質(zhì)原子,其含量對(duì)A l-Mg合金中PLC效應(yīng)產(chǎn)生直接的影響.Ma等[26]發(fā)現(xiàn)了Mg含量4.57%—6.1%的A l-Mg合金中,應(yīng)力跌落幅值以及重加載時(shí)間均隨應(yīng)變線性增加,此外還發(fā)現(xiàn)加工硬化率隨Mg含量增加逐漸增強(qiáng);Ait-Amokhta等[27,28]給出了正常反常兩種臨界應(yīng)變的分界應(yīng)變率隨Mg含量的變化;Kang等[29]研究了五組Mg含量為1.8%—4.5%的5xxx商業(yè)鋁合金,發(fā)現(xiàn)鋸齒跌落幅值隨整體應(yīng)變?cè)黾佣黾?且所測(cè)量的各個(gè)Mg含量合金的B型PLC帶內(nèi)應(yīng)變與整體應(yīng)變呈同一線性關(guān)系.目前關(guān)于Mg含量對(duì)A l-Mg合金PLC效應(yīng)宏觀局域變形帶以及鋸齒類型影響的研究較少,且很少給出整個(gè)試件精細(xì)的應(yīng)變分布圖.

同其他光學(xué)測(cè)量方法相比,數(shù)字圖像相關(guān)法實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單,無需特殊的防震措施,抗干擾能力較強(qiáng),且可獲得較高的測(cè)量精度,因此得到了廣泛應(yīng)用[30?32].本文借助數(shù)字圖像相關(guān)法研究了四種不同Mg含量的A l-Mg合金在室溫常應(yīng)變率下的宏觀局域變形,觀察了Mg含量對(duì)A l-Mg合金鋸齒形態(tài),PLC帶寬以及PLC帶內(nèi)最大應(yīng)變等的影響,給出了四種合金帶的部分傳播示意圖,此外在低Mg含量合金試件拉伸過程中發(fā)現(xiàn)了特殊現(xiàn)象.

2 材料與實(shí)驗(yàn)方法

研究材料為Mg含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))從2.30%—6.91%的四種在研新型冷鑄A l-Mg合金,具體材料組分見表1.為方便表示,根據(jù)Mg含量由低至高依次命名為1號(hào)合金(2.30%),2號(hào)合金(4.57%),3號(hào)合金(6.10%)以及4號(hào)合金(6.91%).實(shí)驗(yàn)試件由如下步驟獲得:第一步將鋁錠分別在450和540?C時(shí)效(均勻化處理)5和10 h,然后熱軋至6 mm厚的板,使其厚度至少減少90%;第二步冷軋至4 mm,隨后在450?C下退火1 h;第三步冷軋至1mm,接著在450?C退火處理1 h,然后空氣冷卻至室溫;最后從1 mm厚鋁板沿軋制方向線切割獲得拉伸試件,實(shí)驗(yàn)段區(qū)域?yàn)?0mm×12.5mm.

實(shí)驗(yàn)在室溫下進(jìn)行,拉伸速率為15 mm/Min,對(duì)應(yīng)的名義加載應(yīng)變率為5×10?3s?1.實(shí)驗(yàn)開始前,在試件表面均勻噴制散斑點(diǎn)以用于試件表面變形計(jì)算,如圖1(a)所示.拉伸過程中采用自主研發(fā)的數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng)(PMLAB 2D-DIC system)實(shí)時(shí)記錄試件在變形過程中的散斑圖像,現(xiàn)場(chǎng)圖如圖1(b)所示,相機(jī)到試件表面的距離約300mm,透鏡焦距為23 mm,相機(jī)采樣頻率均為8 fps,圖像陣列為2048 pixel×2048 pixel,空間分辨率約15.6 pixel/mm.加載曲線采集數(shù)據(jù)頻率為100 Hz.拉伸結(jié)束借助數(shù)字圖像相關(guān)法軟件后處理分析以獲取試件表面的二維變形場(chǎng)分布和演化信息.本文中所有應(yīng)變分布圖像均采用等間隔、相鄰采集圖像相關(guān)法計(jì)算所得.軟件計(jì)算參數(shù)如下:計(jì)算網(wǎng)格間隔2 pixel,相關(guān)計(jì)算窗口大小29 pixel×29 pixel,應(yīng)變計(jì)算窗口大小9 point×9 point,并定義試件表面拉伸方向?yàn)閅軸,橫向?yàn)閄軸,試件表面法向?yàn)閆軸.

表1 材料組分(w t.%)Tab le 1.CheMical coMponents of the four alloys(w t.%).

圖1 (網(wǎng)刊彩色)(a)實(shí)驗(yàn)使用噴斑試件;(b)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.1.(color on line)(a)SpeciMen w ith randoMspeckles;(b)experiMental set-up.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析討論

3.1 加載曲線與鋸齒跌落幅值

四種合金的名義應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖2所示.可以明顯看出,合金的拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度隨Mg含量增加逐漸增大,這是由于Mg是固溶強(qiáng)化元素,通常Mg含量越高,合金強(qiáng)化作用越大.對(duì)于鋸齒的整體形貌,1號(hào)合金與其他三種合金有些許區(qū)別.從局部放大圖可看出,1號(hào)合金鋸齒位于應(yīng)力曲線包絡(luò)上方,較稀疏,鋸齒幅值較小,應(yīng)為A類鋸齒;2—4號(hào)三種合金鋸齒特征相似,鋸齒在應(yīng)力上下包絡(luò)曲線之間振蕩,較密集,鋸齒幅值較大,應(yīng)為B類鋸齒.表明在該應(yīng)變率和溫度下,隨著合金中Mg含量的增加,鋸齒類型由A類向B類轉(zhuǎn)化.

進(jìn)一步對(duì)四種合金的鋸齒跌落幅值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,如圖3所示.1號(hào)合金鋸齒幅值隨應(yīng)變?cè)龃蟮淖兓苄?基本保持在1 MPa;2—4號(hào)三種合金鋸齒幅值均呈現(xiàn)出隨應(yīng)變?cè)龃蠖凭€性增大.在相同應(yīng)變下比較,鋸齒幅值隨Mg含量增加而增大,且這種趨勢(shì)隨應(yīng)變?cè)龃蠖用黠@.此外,對(duì)比1和2號(hào)、2和4號(hào)合金,其Mg含量變化近似相同,但鋸齒幅值變化卻差異明顯.

鋸齒跌落幅值主要取決于溶質(zhì)原子對(duì)可動(dòng)位錯(cuò)的釘扎強(qiáng)度,聚集在可動(dòng)位錯(cuò)周圍的溶質(zhì)原子濃度越高,釘扎強(qiáng)度就越強(qiáng),脫釘引起的鋸齒跌落幅值就越大.同一應(yīng)變下對(duì)比四種合金,一方面基體濃度的增加使可動(dòng)位錯(cuò)周圍的溶質(zhì)原子濃度提高,另一方面可動(dòng)位錯(cuò)周圍的溶質(zhì)原子濃度提高,使得可動(dòng)位錯(cuò)脫釘難度增加,等待時(shí)間增大,延長(zhǎng)了溶質(zhì)原子向位錯(cuò)擴(kuò)散的時(shí)間,導(dǎo)致位錯(cuò)周圍偏聚的溶質(zhì)原子濃度增加,因此對(duì)可動(dòng)位錯(cuò)的釘扎強(qiáng)度增強(qiáng),鋸齒跌落幅值增大.此外,對(duì)同一種合金,在加載過程中,應(yīng)變較小時(shí)等待時(shí)間隨應(yīng)變?cè)黾佣饾u增大,應(yīng)變較大時(shí)等待時(shí)間趨于穩(wěn)定值[33],因此導(dǎo)致位錯(cuò)周圍偏聚的溶質(zhì)原子濃度逐漸增加,對(duì)可動(dòng)位錯(cuò)的釘扎強(qiáng)度增強(qiáng),鋸齒跌落幅值逐漸增大;而1號(hào)合金可能由于等待時(shí)間變化不大,導(dǎo)致位錯(cuò)周圍偏聚的溶質(zhì)原子濃度變化不大,因此鋸齒跌落幅值基本保持不變.

圖2 (網(wǎng)刊彩色)名義應(yīng)力應(yīng)變曲線,名義應(yīng)變率為5×10?3 s?1Fig.2.(color online)NoMinal stress-noMinal strain curves at a constant strain rate of 5×10?3 s?1.

圖3 鋸齒跌落幅值隨應(yīng)變的變化Fig.3.Variations of serration aMp litude w ith strain.

3.2 PLC帶的空間變形行為及特征

借助數(shù)字圖像相關(guān)法軟件進(jìn)行后處理可獲得各個(gè)時(shí)刻的應(yīng)變場(chǎng)場(chǎng)分布,選取四種合金在應(yīng)變?yōu)?.1,0.2以及0.3三個(gè)時(shí)刻出現(xiàn)PLC帶時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?cè)隽繄?chǎng)進(jìn)行分析,如圖4(a),圖4(c)和圖4(e)所示,并將四種合金沿拉伸軸方向中心線上的應(yīng)變?cè)隽窟M(jìn)行對(duì)比,如圖4(b),圖4(d)和圖4(f)所示.同一應(yīng)變下,隨著Mg含量的增加,帶內(nèi)最大應(yīng)變?cè)隽恐饾u增大;對(duì)于同一種合金,帶內(nèi)最大應(yīng)變?cè)隽侩S應(yīng)變?cè)黾佣黾?應(yīng)變較小時(shí),PLC帶的邊界較為模糊,隨著應(yīng)變?cè)龃驪LC帶邊界逐漸清晰.帶外部分應(yīng)變呈現(xiàn)出在零應(yīng)變值上下振蕩,但其振蕩幅度(如圖4(b)中兩條虛線間隔)在不同合金中基本一致,且隨應(yīng)變?cè)黾又饾u減小(分別約為1900,1700和1400με).振蕩的大小代表了試件PLC帶外變形的均勻程度,振蕩值越大說明帶外變形越不均勻.表明隨著應(yīng)變的增加,試件帶外變形逐漸均勻.

圖4 (網(wǎng)刊彩色)四種合金在三種應(yīng)變下的相鄰相關(guān)應(yīng)變?cè)隽吭茍D(a),(c),(e)分別是應(yīng)變?yōu)?.1,0.2,0.3時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?cè)隽繄D;(b),(d),(f)分別是應(yīng)變?yōu)?.1,0.2,0.3時(shí)沿拉伸軸方向的應(yīng)變?cè)隽壳€Fig.4.(color on line)Strain increMent Mappings of fou r alloys in three strains:strain increMent Mapp ings of fou r alloys at strain(a)0.1;(c)0.2;(e)0.3;strain increMent cu rves of fou r alloys at strain(b)0.1;(d)0.2;(f)0.3.

進(jìn)一步地,對(duì)四種合金分別選取6處應(yīng)變,在每個(gè)應(yīng)變下取出5個(gè)對(duì)應(yīng)的PLC帶統(tǒng)計(jì)其帶內(nèi)最大應(yīng)變?cè)隽恳约皫挼钠骄岛途讲?圖5給出了帶內(nèi)最大應(yīng)變統(tǒng)計(jì)的演化,可以看到,帶內(nèi)最大應(yīng)變?cè)隽侩S應(yīng)變?cè)龃竺黠@增大,隨Mg含量增加也逐漸增大,但在較高M(jìn)g含量的三種合金中增大趨勢(shì)緩慢.圖6給出了PLC帶寬的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差.這里,PLC帶的寬度定義為中心線應(yīng)變峰的半高寬(如圖5(f)所示),計(jì)算出其平均值以及均方差,如圖6所示.可以看出PLC帶的寬度基本保持在3mm左右,不隨應(yīng)變或Mg含量的改變而變化.

圖5 (網(wǎng)刊彩色)四種合金在不同應(yīng)變下的帶內(nèi)最大應(yīng)變?cè)隽縁ig.5.(color on line)The average MaxiMuMstrain increMent of fou r alloys in diff erent strains.

圖6 (網(wǎng)刊彩色)不同Mg含量的四種合金的帶寬Fig.6.(color on line)Variation of band w id th w ith Mg content.The band w id th is calcu lated froMthe equal-interval correlation resu lts.

3.3 變形時(shí)域分析

通過觀察每種合金相鄰相關(guān)應(yīng)變?cè)隽繄?chǎng)可獲得整個(gè)拉伸過程中PLC帶的傳播特征.1號(hào)合金中,PLC帶為連續(xù)傳播,一般從試件一端連續(xù)傳播至另一端;2號(hào)合金PLC帶每次連續(xù)傳播的時(shí)間比1號(hào)合金短,距離也相對(duì)變短,從試件一端傳播至另一端過程中帶的位置會(huì)突然跳躍;3號(hào)合金PLC帶每次連續(xù)傳播的時(shí)間進(jìn)一步變短,距離也進(jìn)一步變短,少部分帶從試件一端連續(xù)傳播至另一端,大部分帶分段傳播,帶在試件上的位置經(jīng)常突然跳躍;4號(hào)合金PLC帶每次連續(xù)傳播的時(shí)間更短,距離也更短,極少數(shù)帶從試件一端連續(xù)傳播至另一端,基本上分段傳播后帶的位置突然跳躍.即隨著Mg含量的增加,合金中帶連續(xù)傳播的時(shí)間變短,傳播過程中帶位置的突然跳躍增多.三種高M(jìn)g含量合金B(yǎng)類鋸齒對(duì)應(yīng)的帶都具有一定的連續(xù)性,與我們常觀察到的B類鋸齒對(duì)應(yīng)的跳躍傳播的帶有一些不同.對(duì)四種合金各選取其中幾幅應(yīng)變?cè)隽繄D,如圖7所示.1號(hào)合金帶自上向下連續(xù)傳播;2號(hào)合金帶自下向上連續(xù)傳播(圖7(b)中前四幅),隨后帶的位置向上發(fā)生跳躍(圖7(b)中第四幅),然后繼續(xù)向上連續(xù)傳播(圖7(b)中后五幅);3號(hào)合金帶自下向上連續(xù)傳播(圖7(c)中前三幅),隨后向下發(fā)生跳躍(圖7(c)中第四幅),然后向下連續(xù)傳播(圖7(c)中四五幅),隨后向上跳躍(圖7(c)中第六幅)后向下連續(xù)傳播(圖7(c)中后三幅);4號(hào)合金帶自上向下連續(xù)傳播(圖7(d)中前三幅),隨后帶的位置向下發(fā)生跳躍(圖7(d)中第三幅),然后繼續(xù)向下連續(xù)傳播(圖7(b)中后三四幅),隨后跳躍向下傳播(圖7(d)中后五幅).

在四種合金試件的上中下部位各取一點(diǎn),如圖1(a)中P 1,P 2,P 3所示,通過時(shí)序分析,獲取各點(diǎn)隨拉伸過程應(yīng)變率演化行為.如圖8所示,其中紅色,藍(lán)色以及黑色分別代表P 1,P 2以及P 3點(diǎn)的應(yīng)變率曲線,為了便于觀察,將相鄰應(yīng)變率曲線均錯(cuò)開6.5×10?2s?1間隔.曲線上第一個(gè)峰值對(duì)應(yīng)著Luders平臺(tái)階段,表示有Luder帶在該點(diǎn)處出現(xiàn),隨后的峰值表明相應(yīng)時(shí)刻有PLC帶在該點(diǎn)處出現(xiàn).以四種合金P 3點(diǎn)的時(shí)間-應(yīng)變率曲線來進(jìn)行比較,可以看出隨著Mg含量的增加,試件局部應(yīng)變率整體上呈增長(zhǎng)趨勢(shì),且四種合金都有雙峰現(xiàn)象的產(chǎn)生,說明相鄰時(shí)刻在P 3點(diǎn)附近先后有兩個(gè)帶產(chǎn)生.此外觀察1號(hào)合金的應(yīng)變率曲線可知,在試件拉伸的最后一段時(shí)間內(nèi)PLC帶只在試件上中段部位產(chǎn)生直至斷裂,這與實(shí)驗(yàn)中試件在靠近上部斷裂是相一致的.

圖7 (網(wǎng)刊彩色)四種合金應(yīng)變?cè)隽吭茍D,四幅圖所取參考圖分別是33.25,31.25,26.875以及36.575 s時(shí)所對(duì)應(yīng)的圖像(a)—(d)分別是1—4號(hào)合金應(yīng)變?cè)隽吭茍DFig.7.(color on line)Propagative characteristics of PLC bands.The reference iMages are the 33.25 s fraMe,the 31.25 s fraMe,the 26.875 s fraMe and the 36.575 s fraMe for alloy 1,2,3 and 4,respectively.Strain Mappings of(a)alloy 1;(b)alloy 2;(c)alloy 3;(d)alloy 4.

圖8 (網(wǎng)刊彩色)不同Mg含量合金上中下三點(diǎn)的時(shí)間-應(yīng)變率Fig.8.(color on line)Strain rate cu rves of fou r alloys in three points.

3.4 特殊現(xiàn)象

對(duì)于1號(hào)合金,我們還觀察到一個(gè)有趣的現(xiàn)象.在拉伸后期的應(yīng)力曲線上,如圖9所示,從65.7 s左右開始(紅色箭頭所示)應(yīng)力自峰值經(jīng)過一個(gè)大的跌落迅速減小到谷底,隨后經(jīng)過一系列幅度逐漸減小的振蕩上升到峰值,之后重復(fù)這一過程,直至最后失效.插圖顯示一個(gè)周期附近的細(xì)節(jié),以此段為例,其對(duì)應(yīng)的相鄰相關(guān)應(yīng)變場(chǎng)分布如圖10所示,每幅應(yīng)變?cè)茍D與圖9中紅點(diǎn)的時(shí)刻一一對(duì)應(yīng).PLC帶先發(fā)生一次傾角轉(zhuǎn)向,即傾角由“”轉(zhuǎn)變?yōu)椤?”(矩形框),而后繼續(xù)傳播一段時(shí)間后再次發(fā)生傾角轉(zhuǎn)向(矩形框),傾角轉(zhuǎn)向前后的傳播方向保持一致(箭頭標(biāo)示).對(duì)應(yīng)到應(yīng)力曲線可知,每次傾角轉(zhuǎn)向都對(duì)應(yīng)著一個(gè)大的應(yīng)力跌落,PLC帶的傳播過程則對(duì)于逐漸趨于平穩(wěn)的小振蕩.觀察這種現(xiàn)象可能和斷裂相關(guān),但是對(duì)于其發(fā)生的深層原因有待進(jìn)一步發(fā)掘.

圖9 (網(wǎng)刊彩色)1號(hào)試件60—74 s的時(shí)間-應(yīng)力曲線,插圖為67.8—70.1 s的局部放大圖Fig.9.(color online)The stress-tiMe curve of alloy 1 froM60 s to 74 s.Iillustration is an en larged froM67.8 s to the 70.1 s.

圖10 (網(wǎng)刊彩色)局部應(yīng)變分布圖Fig.10.(color on line)The local strain Mappings.

4 結(jié)論

本文利用數(shù)字圖像相關(guān)法研究了四種不同Mg含量的A l-Mg合金在常溫與應(yīng)變率為5×10?3s?1時(shí)PLC帶的宏觀變形特征,得到以下結(jié)論.

1)隨著Mg含量的增加,合金鋸齒類型由A類轉(zhuǎn)為B類.合金應(yīng)力跌落幅值隨Mg含量增加逐漸增大,且在低Mg含量(2.30%)合金中不隨應(yīng)變變化,在高M(jìn)g含量(4.57%,6.10%,6.91%)合金中隨應(yīng)變?cè)黾映示€性增大.

2)隨著Mg含量的增加,合金中PLC帶連續(xù)傳播的時(shí)間變短,傳播過程中帶位置的突然跳躍增多.在小應(yīng)變時(shí),合金帶外變形不均勻性明顯,隨著應(yīng)變的增加,帶外變形不均勻性逐漸減小.

3)合金的帶寬不隨Mg含量或應(yīng)變的改變而變化.帶內(nèi)最大應(yīng)變?cè)隽侩SMg含量或應(yīng)變?cè)黾又饾u增大.

4)低Mg含量(2.30%)合金應(yīng)力曲線后段(應(yīng)變0.3左右)應(yīng)力自峰值迅速以大的跌落減小到谷值,隨后經(jīng)一系列幅度逐漸減小的振蕩上升到下一個(gè)峰值,并反復(fù)出現(xiàn).對(duì)應(yīng)的宏觀變形表明其中鋸齒的大跌落對(duì)應(yīng)著PLC帶的轉(zhuǎn)向,幅度逐漸減小的振蕩對(duì)應(yīng)著PLC帶的傳播,且在轉(zhuǎn)向前后PLC帶均向上連續(xù)傳播.

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(Received 5 DeceMber 2016;revised Manuscrip t received 17 January 2017)

PACS:62.20.F–,81.40.CdDOI:10.7498/aps.66.086201

*Pro ject supported by the National Natu ral Science Foundation of China(G rant Nos.11332010,11627803,11472266,11428206,51571013)and the Strategic Priority Research PrograMof the Chinese AcadeMy of Sciences(G rant No.DB 22040502).

?Corresponding author.E-Mail:fushihua@ustc.edu.cn

?Corresponding au thor.E-Mail:zhangqc@ustc.edu.cn

ExperiMental investigation on the in fl uence of Mg content on Portevin-Le Chatelier eff ect in A l-based alloys by using d igital iMage correlation?

Yang Su-Li1)Fu Shi-Hua1)?Cai Yu-Long1)Zhang Di2)Zhang Qing-Chuan1)?

1)(CAS K ey Laboratory ofMechanical Behavior and Design ofMaterials,University of Science and Technology of China,Hefei 230027,China)2)(State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China)

The Protein-Le Chatelier(PLC)eff ects are investigated by using digital iMage correlation at a constant app lied strain rate of5.00×10?3s?1and rooMteMperature in A l-Mg alloysw ith Mg content values(w t.%)of 2.30,4.57,6.10 and 6.91 respectively in this study.Both the yield strength and the ultiMate strength increase w ith increasing Mg content,which is generally called solution strengthening.Type of PLC band changes froMA to B w ith increasing Mg content.In low Mg content(2.30%)alloy,the serration aMp litude almost remains 1 MPa,while in each of high Mg content(4.57%,6.10%,6.91%)alloys it linearly increases w ith the strain increasing.The serration aMp litude is found to increase w ith increasing Mg content and gradually reaches a saturated state.W ith the increase of Mg content,the period of PLC band for continuous propagation gradually reduces and the timewhen the PLC band location sudden juMps increases in the p rocess of p ropagation.W hen the strain is sMall,the out-of-band deforMation of alloy is inhoMogeneous obviously.And the deformation inhomogeneity slightly decreases w ith increasing Mg content.DIC resu lts indicate that the PLC bandw idth does not change w ith Mg content,while the MaximuMstrain increMent in the PLC band increases w ith increasing both Mg content and strain.Additionally,special periodic daMped serrations are observed in the stress-tiMe curve of the low Mg content(2.30%),the corresponding PLC band shows that the periodic changed serrations in the stress-tiMe curve correspond to the transforMation of the PLC band orientation.Besides,the PLC band propagates upward continuously both before and after the shift.

Portevin-Le Chatelier,digital image correlation,Mg content,dynaMic strain ageing

10.7498/aps.66.086201

?國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):11332010,11627803,11472266,11428206,51571013)和中國科學(xué)院戰(zhàn)略性研究計(jì)劃(批準(zhǔn)號(hào):DB22040502)資助的課題.

?通信作者.E-Mail:fushihua@ustc.edu.cn

?通信作者.E-Mail:zhangqc@ustc.edu.cn

?2017中國物理學(xué)會(huì)C h inese P hysica l Society

http://w u lixb.iphy.ac.cn