镁合金孪晶界的原子结构及第二相粒子退火时在孪晶界的析出行为

Magnesium and its alloys have potential application for weight saving in electrical, automotive and aeronautic components because they are the lightest structural material. However, their applications are still restricted up to these days. The main reasons for these restrictions are the indistinct twinning mechanism and immature strengthening theory based on twinning. Twin boundary, also known as twinning plane, is an important element for twinning. The atomic arrangement in this plane is very important to understand the atomic motion during twinning. Our previous studies showed that when the pre-twinned magnesium alloy was annealed, the second phase in the material precipitated in twins and twin boundaries at first and for the two twin boundaries in a twin, the second phase precipitated very different from each other. In this study, we focus on the {10-12} twinning which is the easiest activated twinning mode in magnesium alloy. Theoretical atom mode will be constructed to analyze the twinning boundary structure and the methods of high resolution TEM and SEM will be conducted to observe the atomic arrangement in twin boundary. Especially, the difference in atomic arrangement of the two twin boundaries for one twin will be analyzed. Further study in precipitating behavior of the second phase in twin boundary will be done and the factors leading to these behaviors will be analyzed. At last, the effects of precipitation on mechanical properties and its effect mechanism will be investigated.

镁及其合金是最轻的金属结构材料，在电子、汽车、航空航天等领域有着广泛的潜在应用。然而，镁合金的应用至今仍受限制，根本原因在于孪生的原子运动机制一直没有得到明确，基于孪生的强化理论尚未成熟。孪晶界，也称孪生面，是孪生中一个非常重要的要素，是理清孪生过程原子运动机制的重要基础。申请者前期研究发现，经过预先孪生变形的镁合金在后来的热处理过程中，第二相粒子在同一孪晶与基体的两侧界面中的析出情况大不相同。本项目拟以镁合金中最容易产生的{10-12}孪晶为研究对象，分别采用建立理论模型、高分辨TEM观察等方法，研究孪晶界原子的排列情况，对比同一条孪晶与基体的两侧界面原子排列的异同。在此基础上，深入研究第二相粒子在孪晶界中的析出行为，分析影响第二相粒子在孪晶以及孪晶界中析出的因素，探讨第二相在孪晶以及孪晶界析出对合金力学行为的影响及其作用机制。

对镁及其合金，孪生是一种非常重要的变形机制。基于镁及其合金在孪生变形过程中原子运动规律尚有较大争议、孪晶界原子结构尚不完全清楚、第二相粒子退火时在孪晶界的析出行为及其机制仍有待进一步明确等现状，本项目首先从理论上研究镁合金孪晶界的二维及三维结构，结合理论研究，用高分辨TEM等手段研究镁合金孪晶界的原子结构。在此基础上，研究了第二相粒子退火时在孪晶界的析出行为，探讨孪晶界原子结构、应力状态等对第二相析出的影响。主要成果包括：（1）通过建立镁合金孪生过程原子运动模型，研究表明理论上孪晶界的原子面是一个平直的面，同一孪晶两侧的孪晶界原子排列原子密度不一致，其中一条孪晶界原子密度较大，而另一侧孪晶界的原子密度相对较小。（2）实验观察表明，镁合金｛10-12｝孪晶界的原子排列往往是有着褶皱的非平直的面，可能是变形过程中滑移和孪生交互作用的结果。（3）经过预先变形的镁合金在随后的低温退火过程中，第二相粒子首先在孪晶内部析出，随着时间的延长，析出量越来越多，最后在基体中也析出。在这一退火过程中，第二相粒子在同一孪晶两侧孪晶界中的析出行为也不一样：第二相粒子在其中一侧的孪晶界大量析出，而另一侧中的析出相对较少，表明同一孪晶两侧的两条孪晶界的原子状态或应力状态是不一样的，对第二相的析出行为有不同的影响。结合理论研究结果，由于同一孪晶两侧的两条孪晶界原子排列密度不一致，在孪生过程中可能导致孪晶界附近的原子之间相互作用力不一致，进而导致第二相粒子退火过程中的析出行为不一样。由于退火过程中第二相粒子的析出，合金的力学性能受到了明显的影响。该项目的研究从理论和实验上进一步明确了镁合金孪晶界的原子结构，搞清楚了第二相粒子退火时在孪晶界的析出行为并对其可能的影响因素进行探讨，为镁合金的研究提供新的思路和理论依据。