Mg-RE合金热锻中第二相诱发空洞演化致其损伤断裂机制及多尺度模拟

The inhomogeneous strain localization is triggered because the second phases in magnesium-rare earth alloy(Mg-RE alloy) during hot forming prefer to precipitate and gather at the grain boundary, which results in occurrent of cracks. And the initiation of cracks seriously impede the development and application of Mg-RE alloy in the aerospace industry. The damage and fracture is due to the comprehensive effect of the size, volume fraction, distribution of the second phase and the stress state in the deformation process. However, it is difficult to reveal the damage and fracture mechanism resulting from void evolution only using experimental observation. At present, there is also a lack of effective calculation method. The project aims to establish a multiscale ductile fracture model including the processes of macroscopic plastic deformaton and damage evolution, though theoretical derivation, experimention and hierarchical multiscale simulation, clarifying the influencing factors of damage and fracture with the void evolution law, to reveal the local plastic deformation behavior around the second phases and the competitive behavior of void-dominated damage and shear-dominated damage. Furtherly, the proposed model is integrated with the finite element method to predict the occurrence of cracks during hot forming for aricraft engine casing. Consequently, the research of this project will form an effective analysis method for the prediction of damage and fracture of Mg-RE alloy during hot forming, and the achievement will provide theoretical basis for planning forging forming.

因热锻过程中第二相易析出并集聚于晶界处，诱发局部应变非均匀化，导致稀土镁合金（Mg-RE合金）构件出现开裂，严重制约了Mg-RE合金在航空航天行业的发展和应用。第二相致损伤断裂与其大小、体积分数、分布和变形过程中应力状态等因素有关，然而仅通过实验观测难以揭示第二相诱发空洞演化致损伤断裂机制，目前尚缺乏有效的研究手段。本项目以建立包含“宏观塑性变形-损伤演化”各过程在内的多尺度损伤断裂模型为目标，综合使用理论推导、实验手段和递阶多尺度有限元模拟，厘清材料损伤断裂的影响因素及空洞演化特征；阐明第二相周围局部塑性变形行为及微孔集聚型和剪切型损伤机制共存与博弈关系。将提出的模型与有限元方法集成，预报飞机发动机机匣模锻热成形过程中裂纹的发生。通过对上述问题的深入研究和解决，形成一套行之有效的热成形损伤断裂分析方法，为Mg-RE合金热锻工艺设计提供科学依据。

因热锻过程中第二相易析出并集聚于晶界处，诱发局部应变非均匀化，导致稀土镁合金（Mg-RE合金）构件出现开裂，严重制约了Mg-RE合金在航空航天行业的发展和应用。第二相致损伤断裂与其大小、体积分数、分布和变形过程中应力状态等因素有关，然而仅通过实验观测难以揭示第二相诱发空洞演化致损伤断裂机制，目前尚缺乏有效的研究手段。因此，规避Mg-RE合金结构件成形过程中的微裂纹等缺陷，是提高航空结构件内在质量，实现其轻量化的前提。本项目综合使用理论推导、实验手段和递阶多尺度有限元模拟，提出了强韧性临界转变温度，此临界温度为350℃，且阐明了WE43稀土镁合金的塑性形变机理及断裂机制，并建立了本构模型；提出了一种“渐进逼近法”，获得准确的断裂应变；厘清了材料损伤断裂的影响因素及空洞演化特征；阐明了第二相周围局部塑性变形行为及微孔集聚型和剪切型损伤机制共存与博弈关系，构建了“宏观塑性变形-损伤演化”耦合的多尺度损伤断裂模型。在国内外期刊上发表了13篇，录用了1篇，其中被SCI、EI检索论文8篇，其余6篇为国内核心期刊。. 关键数据：1）提出了稀土镁合金在热成形过程中存在强韧性临界转变温度，此临界温度为350℃；2）提出了一种“渐进逼近法”，获得了准确的断裂应变；3）在整个热形变过程中，连续的动态再结晶机制占主导地位。第二相微粒加速了再结晶过程。它们促进变形过程中的动态再结晶，并致使细晶的出现，起着显著的微粒刺激形核（PSN）效应。细晶形成于第二相微粒处，为局部剪切区提供了必要的路径。另外，晶界强化是主要的强化机制。4）T≤250℃下，断裂模式：韧性断裂为主导的韧-脆混合断裂模式；T>250℃下，断裂模式为韧性断裂模式；5）考虑温度、应变速率及各向异性对稀土镁合金塑变行为的影响，建立了本构模型；6）构建了“宏观塑性变形-损伤演化”耦合的多尺度损伤断裂模型。本项目将为Mg-RE合金热变形中材料断裂失效预报和成形极限预测提供理论依据，对Mg-RE合金零件的控形控性制造具有一定的工程应用价值。.