梯度纳米双相镁合金的形成机制与静动态力学响应机理研究

The growing demands of energy-saving, environment protecting and sustainable development in industrial countries bring the great opportunities for the development of Mg alloys. However, the low strength and plasticity of Mg alloys have become bottleneck problems, preventing themselves from massive application. Grain refinement is one of the most important strengthening methods for Mg alloys. In particularly, when grain size decreases to nano-level, materials exhibit extreme high strength, but low plasticity. In this project, we adopt our self-developed sliding friction treatment technology and take two phase Mg alloys as mediums to architect gradient nanostructured Mg alloys. We control macroscopic mechanical properties of Mg alloys by reducing dimension of structural units, and take full advantage of remarkable boundary strengthening effect of nangrains to achieve a relatively good match of strength and plasticity. The evolution process of microstructural nanocrystallization and accommodated deformation mechanism between two phases will be studied. And by investigating thermal stability of gradient nanostructure and static/dynamic mechanical behavior, the relationship between microstructural parameters and mechanics parameters can be clarified. This work not only provides a certain experimental base and theoretical foundation for plastic strain-induced grain refinement mechanism of two phases alloys and gradient nanostructured mechanical behavior, but also plays important roles in promoting the fundamental researches of high performance magnesium alloys and the industrial applications of nanocrystallization technology.

工业化国家对节能减排、绿色环保及可持续发展的要求不断提高，给镁合金的发展带来了更大的机遇。但镁合金低的强度与塑性，已成为阻碍其大规模应用的瓶颈问题。晶粒细化是镁合金最重要的强化手段之一，特别是晶粒尺寸降低到纳米量级后，材料强度极高，但塑性极低。本项目拟采用本课题组自主研发的滑动摩擦处理技术，以双相镁合金为研究载体，构建梯度纳米结构镁合金，并通过结构尺寸裁减调控其宏观力性，充分利用纳米晶显著的界面强化效应，实现良好的强塑性匹配。研究滑动摩擦技术诱导的微观结构纳米化演变过程及双相协调变形机制，研究梯度纳米结构热稳定性及其静态、动态力学行为，阐明微观结构参量和力学参量的对应关系。此项工作不仅可为塑性变形诱导双相合金的晶粒细化机制及梯度纳米结构的力学行为研究提供一定的实验基础与理论依据，而且对高性能镁合金基础研究的推动及纳米化技术的工业应用都具有重要意义。

1.背景意义：镁合金是现有金属结构材料中密度最小的结构材料，且具有阻尼减震性能好、导热性能优良、电磁屏蔽能力强和易回收等特点，随着轻量化和节能环保需求的日渐迫切及传统金属（铝、铁）资源的日趋贫乏，镁合金在航空航天、汽车、电子通讯工业中正得到日益广泛的应用。但与铝、钢等其他结构材料相比，镁合金存在强度低、塑性差等缺点，制约了其在更广范围和更深层次工业需求的应用。因此，本项目拟将近年来开发的梯度纳米结构材料的方法应用于双相镁合金，以期实现镁合金良好的强度-塑性匹配，以拓展镁合金应用领域和推动镁合金工业发展。.2.主要研究内容：（1）梯度纳米结构双相镁合金的形成机制。制备梯度纳米镁合金并表征微观结构演变规律；（2）纳米层热稳定性研究。揭示梯度纳米结构双相镁合金的热力学和动力学原理；（3）研究梯度纳米结构双相镁合金在静态拉伸、动态压缩及强迫剪切变形过程中力学行为。.3.重要结果和关键数据：（1）揭示了梯度纳米结构AZ31 Mg合金的微观结构演变机制：孪晶→位错分割孪晶形成超细晶→位错分割、不连续动态再结晶和剪切带+随后的不连续动态再结晶等→纳米晶；（2）揭示了梯度纳米结构Mg-Li合金中Mg相的微观结构演变机制：孪晶→孪晶破碎（位错分割机制）→形成的晶粒又不断被位错机制分割→形成纳米晶。Li相的晶粒细化过程为：连续位错滑移→形成不断变窄的亚晶界→最后形成纳米晶；（3）揭示了梯度纳米结构Mg-Li合金表面纳米层的热稳定性，其生长激活能为72 kJ/mol，该值显著低于纯镁的生长激活能（92 kJ/mol），故纳米晶和超细晶Mg-Li合金的热稳定性差，其在升温的条件下很容易发生长大；（4）揭示了梯度纳米结构对镁合金力学行为的影响，形成梯度纳米结构能够显著提高材料的强度。.4.科学意义：研究结果表明镁合金经梯度结构化处理后，强度显著提高，同时能够保留一定的塑性变形能力，说明结构梯度化处理是获得镁合金强塑性匹配的合适技术。