Mg-Al-Ca-Sr镁合金热变形行为的位错机制研究

Study on the microscopic mechanism of thermoplastic deformation of magnesium alloy can not only enrich and develop the basic theory of plastic deformation, but also hold the important theoretical significance and scientific value for optimizing thermoplastic processing technology and researching magnesium alloy materials with high formability. Using the theoretical analysis and the experimental testing, this project will establish temperature and size-dependent model of continuum mechanics which can characterize accurately the interaction of microstructures, such as dislocations, twins, grain boundaries, precipitates and voids, in Mg-Al-Ca-Sr magnesium alloy and then develops the means of solving the corresponding model. We study the interaction among dislocation, twins and other microstructures, refine the parameters reflecting the essential characteristics of interaction. The critical conditions of twin nucleation under different deformation conditions in magnesium alloy, the dislocation mechanism of void/microcrack nucleation and growth mechanism, and the dominant microscopic mechanism of the thermoplastic deformation are revealed. The quantitative relations between the parameters of microstructures (including twins, precipitates, grain boundaries etc.) in Mg-Al-Ca-Sr magnesium alloy, the temperature condition and the strength/toughness of materials will be investigated in order to reveal the main factors and the control conditions, influencing strengthening/toughening effects and fracture in such magnesium alloy.

镁合金热塑性变形微观机理研究不但可以丰富和发展塑性变形的基础理论, 而且对于优化热塑性加工工艺及研发具有高成型性能的镁合金材料均具有重要理论意义和科学价值。本项目采用理论分析、数值模拟与实验测试有机结合的方式，建立能够正确表征Mg-Al-Ca-Sr镁合金热变形中位错、孪晶、晶界、析出相、空洞等微结构交互作用机理的温度和尺度依赖的连续介质力学模型，发展相应求解方法与手段。研究位错、孪晶与其它微结构交互作用的规律，提炼反映交互作用本质特征的参数，揭示不同变形条件下镁合金孪晶形核的临界条件、空洞/微裂纹形核长大的位错机理，以及热塑性变形的主导微观机制。建立Mg-Al-Ca-Sr镁合金中孪晶、析出相、晶界等显微结构参数以及温度条件与材料强韧度的定量关联，揭示影响该类镁合金材料强韧化效应和断裂破坏的主要因素和控制条件。

镁合金热塑性变形微观机理研究不但可以丰富和发展塑性变形的基础理论, 而且对于优化热塑性加工工艺及研发具有高成型性能的镁合金材料均具有重要理论意义和科学价值。本项目采用了理论分析、数值模拟与实验测试有机结合的方法，建立了综合反映镁合金变形过程中位错、孪晶、析出相、界面与晶界变形等显微结构交互作用的连续介质力学模型，发展了相应模型的理论求解方法与技巧，揭示了不同变形条件下镁合金孪晶形核的临界条件、孔洞/微裂纹形核长大的位错机理，以及镁合金塑性变形的主导微观机制。重要的研究成果如下，1）建立了密排六方晶体镁中纳米变形孪晶形核与长大的位错模型。结果表明：孪生位错塞积可促使纳米变形孪晶的形核；纳米孪晶形核的临界切应力要远大于纳米孪晶长大的临界切应力。2）相场法研究了镁合金孪晶的横向扩展机制。研究结果表明：孪晶界的各项异性是这些不规则的微小界面形成的主要原因；基于构型力理论，推导出了一个广义的能量-动量张量；孪晶的生长受益于PB面的形成；孪晶的增厚机制与横向扩展机制之间的竞争关系是决定孪晶大长细比的主因。3）研究了粗晶镁合金中形变孪生和开裂的微观机理，通过EBSD观测了源自于Ⅰ型联合区域拉伸孪晶交叉的裂纹形核。结果表明：势垒孪晶内的局部应变决定着伴随孪晶的生长且增强了孪晶的传播应力；较大的晶粒有利于脆性断裂；高密度孪晶带和孪晶交叉口很容易改变裂纹扩展的方向。4）研究了析出相/基体界面断裂诱发的纳米孪晶对细晶镁合金的增韧效应。结果表明：随着析出相剪切模量的增加，界面逐渐被削弱；在纳米孪晶的增韧效应下，界面断裂韧性取决于析出相的大小和间距；纳米孪晶的增韧效果还取决于其相对取向和孪生方向。上述成果为加工制备新型镁合金提供了细微观结构设计参数和加工工艺参数优化的科学依据。