高应变率冷加工提高镁合金强度、韧性的方法及微观机理研究

Because of their low density and high specific strength and stiffness, Mg alloys hold promise for light weight structural applications in the aviation and aerospace industries. Hexagonal close-packed (HCP) structured Mg alloys have low symmetry of slip systems that contribute to low ductility. During plastic deformation, the dislocation tangle and dislocation pileup can introduce the nucleation and propagation of micro – crack and reducing the strength of Mg alloys. In this project, through high strain rate plastic deformation in basal slip system, the mobile dislocation and deformation twinning density will significantly increase. The both strength and ductility of Mg alloys will increase due to grain refinement effect and deformation twinning. Also, we will investigate the microstructure evolution during high strain rate cold work in Mg alloys. The research achievement of this project will be of great scientific meaning for improvement of mechanical properties and understanding of plastic deformation mechanisms in Mg alloys under high strain rate plastic deformation.

镁合金是目前广泛应用的轻质结构金属，在航空航天领域具有极大的应用前景。镁合金具有典型的密排六方结构，塑性变形过程中可启动的滑移系少，导致其塑性变形能力差。同时，有限的滑移系会造成材料内部强烈的位错塞积、缠绕等现象，形成局部应力集中并引起微裂纹形成和发展，这也是导致镁合金低强度的一个重要原因。针对镁合金低强度、低韧性的主要缺陷，本项目拟采用高应变率冷加工方式对镁合金进行微观组织设计，通过对镁合金特定取向（基面）进行高应变率冷加工，提高材料内部的可动位错密度和变形孪晶密度。一方面，利用晶粒细化效应增加镁合金强度，同时，高密度孪晶可以为位错运动提供更多的滑移方向，从而有效的提高镁合金韧性。通过微观组织表征，可以得到高应变率冷加工方式对镁合金塑性变形机理的影响。研究结果不仅可以为密排六方这种低强度、低韧性材料探索增强、增韧方法，也可以提高我们对密排六方晶体结构材料高应变率塑性变形机理的理解。

镁合金是目前广泛应用的轻质结构金属，是目前密度最低的合金材料，主要应用于航空航天、汽车和电子产品产业。由于镁合金的晶体结构是典型的密排六方结构，常温下塑性变形只能启动基面滑移，这导致其塑性变形能力差，极大的限制了镁合金的广泛应用。针对镁合金低强度、低韧性的主要缺陷，本项目采用创新的高应变率冷加工方式对镁合金进行微观组织设计，主要是通过在室温条件下可控应变量的高应变率变形使镁合金进行有效的晶粒细化和增加初始孪晶密度。根据霍尔-佩奇理论，晶粒细化可以有效的提高镁合金的强度，而孪晶密度的增加可以为位错运动提供更多的滑移方向，从而有效的提高镁合金韧性。在本项目研究工作中，我们通过等径通道挤压结合动态压缩方法，将粗晶镁合金晶粒细化至微米量级，并具有大量初始孪晶组织，得到的孪晶诱导塑性细晶镁合金同时具有较高的强度（270MPa）和优异的塑性变形能力（30%）。同时，我们发现在高应变率加载下，镁合金可以表现出异常的塑性变形能力（50%），而准静态条件下其塑性变形仅为（8-12%），通过微观机理分析发现镁合金在高应变率下会出现强烈的局部变形集中效应，产生剪切带并伴随热软化。当剪切带数量达到一定程度，镁合金在高应变率下会发生明显的脆-韧转变。为了更深入的研究不同微观组织对材料强韧性的影响，我们研发了可以制备出晶粒梯度结构的动态大塑性变形方式。此外，利用分子动力学模拟，我们获得了高应变率加载条件下，特征微观结构-晶界、孪晶对金属塑性变形机理及破坏模式的影响。这些研究对我们深入理解晶粒尺寸、缺陷密度（孪晶）对镁合金宏观性能（强度、韧性）的影响机制。而利用这些影响机制，我们可以针对性的通过多种手段（晶粒细化、增加孪晶密度）去获得具有良好力学性能的镁合金材料，为镁合金的广泛应用提供实验和理论基础。