在研新型5000系铝合金锯齿形屈服局域化变形的实验、机制和建模研究

As they have excellent physical and mechanical properties, aluminum alloys are widely used in industry. Unfortunately, their application is still restricted due to serrated yielding, i.e. the Portevin-Le Chatelier (PLC) effect. Previous studies of serrated yielding mainly focused on the axial deformation, stress drops and phenomenological model. However, some issues such as the feature of 3D-deformation, the critical mechanism, the multi-scale modeling, etc. are not clear yet. In this project, these issues will be investigated by the following researches. 1) The 3D-deformation of the PLC band will be observed and the relationship of “deformation-serration” will be presented. 2) A critical mechanism will be established in “temperature-strain rate” domain to forecast the behavior of the critical strain for 5000 Al alloys. 3) A multi-scale model will be proposed to reflect the physical mechanism on micro scale and to reproduce the mechanical behavior on macro scale. The expected results will present a new understanding of serrated yielding and provide the theory support for the development in alloy design.

铝合金具有优良的物理和力学性能，广泛应用在各工业领域，但其应用受到锯齿形屈服现象，即Portevin-Le Chatelier(PLC)效应的严重制约。先前研究主要关注轴向变形、应力锯齿和宏观唯像模型等方面，目前在三维变形特征、临界机制、跨尺度建模等问题尚需更深入更全面的理解和认识。针对这些问题，本项目以在研新型5000系铝合金为对象，对其锯齿形屈服空间变形和临界机制开展实验研究和理论分析。1)实验观测 PLC带的三维空间变形行为，分析空域变形和应力锯齿之间的对应关系；2)建立 “温度-应变率”空间下的临界应变机制，预测多种合金临界应变演化规律；3)建立反映微观物理机制并再现宏观力学行为的跨尺度力学模型。研究结果有助于完善锯齿形屈服的临界机制，提供新的认识角度，加深对其物理本质的理解，为进一步寻求抑制PLC效应的方法和改善合金设计奠定基础。

铝合金具有优良的物理和力学性能，广泛应用在各工业领域，但其应用受到锯齿形屈服现象，即Portevin-Le Chatelier(PLC)效应的严重制约。在基金委的资助下，项目以在研新型5000系铝合金为对象，对其锯齿形屈服空间变形和临界机制开展实验研究和理论分析，取得主要研究成果如下：1)利用数字图像相关法研究了常温与不同应变率四种不同Mg含量的Al合金中Portevin-Le Chatelier(PLC)效应的宏观变形行为。实验获得了随Mg含量变化PLC带和锯齿形形态的时空对应演化特征，并观察到低Mg含量合金中时域上特殊的周期性衰减锯齿和空域上相对应的PLC带的转向。2)设计研制了Al-5.2%Mg-0.5%Cu(无Zn合金)和l-5.2%Mg-1.2%Zn-0.5%Cu(加Zn合金)两种新型合金，并研究Zn的掺入对其锯齿形屈服效应的影响。结果表明，Zn的添加能增大合金强度、临界应变，和锯齿跌落幅值，一定程度上抑制了锯齿形屈服，但不影响PLC带的空间形态及其与锯齿的对应关系。加Zn合金中还发现了PLC带“分段连续”传播特征的新现象。3)利用快速傅里叶变换分析了不同自然时效时间下Al-Mg-Si合金的应力曲线，获得整体频谱和局部频谱的分布特征，提出一种简化频谱分析方法，更有效表征内在频谱特征。4)引入多尺度熵方法从非线性的角度去分析不同温度下5456铝合金中锯齿形屈服的复杂性。研究发现熵值随时间尺度表现出三种演化特征，分别对应不同类型的应力锯齿，并指出A型锯齿与褐色噪声有着较高的相似性，具有自组织临界性，而B和C型锯齿则具有混沌性，形成了对锯齿形屈服时域表征的新方法。研究结果对锯齿形屈服效应的研究提供了大量丰富且独特的实验现象，全新的认识角度和表征方法，加深了对其内在本质的理解，为进一步阐明锯齿形屈服物理微观机制奠定了基础，为寻求抑制锯齿形屈服的方法和改善合金设计提供指导。