镁合金中孪晶形核、长大机制的原位研究和数值模拟

Twinning is an important deformation mechanism for hexagonal close packed (HCP) metals.It accommodates strain in the c-axis direction,provides deforamtion while slips can not activate easily, and reorientates grains for the activation of slips. Presently, the nucleation and growth of twins in HCP metals becomes a hot research topic and difficult point in the research field of plastic theories of HCP metals and no agreement could be reached on the criteria of the activation of twins until now.The “bottleneck” problems for the research on the nucleation and growth of twins to be solved are as follows: what causes the non-Schmid behavior of twinning? Is the criterion for activation of primary, secondary and tertiary same or not? How about the local stress and accommodation strain of parent grains and their neighbours before and after twins? Those fundamental scientific problems should be solved to reveal the mechanism of nucleation and propagation of twins in magnesium alloys. Our project will carry out an in-situ investigation and numerical simulation on the nucleation and growth of twins in magnesium alloys. The main content of study includes: 1.the criteria for the activation and the factors affecting the nucleation of primary, secondary and tertiary twins;2.the evolution of micro-stress and strain of twins, parent grains and their neighbours before and after twinning;3.the development of microscopic model of mechanics for activation and propagation of twins in magnesium alloys.The research results will enrich the plastic deformation theories of magnesium.

孪生在密排六方结构(HCP)金属的塑性变形过程中扮演着重要角色，它能够提供c轴方向协调应变，在晶体取向不利于滑移时提供形变，调整晶体取向有利于滑移进一步激发。孪晶形核与长大过程研究是当前密排六方金属塑性变形理论研究的难点和热点，迄今为止研究者仍未就变形孪晶开动的有效判据达成共识。消除争议亟待解决的关键问题是：non-Schmid行为究竟是由什么原因导致的？一次、二次及多次孪晶激发的判据是否相同？孪生前后母体晶粒及其近邻晶粒微观应力、协调应变如何演变？针对上述形变孪晶涉及的关键科学问题，本项目拟对镁合金孪晶形核、生长机制开展原位研究和数值模拟，主要研究内容如下：1.孪晶激发判据和一次、二次及多次孪晶开动的主要影响因素研究；2.孪生前后孪晶自身、母体晶粒及其近邻晶粒微应力、微应变及微取向的演化规律研究；3.孪晶形核、长大过程微观力学模型的构建。研究结果将丰富已有的镁合金塑性变形基础理论。

尽管镁合金以其诸多优点被应用于航空航天、3C、交通及医疗等领域，但其室温成形性差使其在工业上的应用受到限制。孪生在镁合金的塑性变形过程中扮演着重要角色，它能够提供c轴方向的应变，调整晶体取向有利于滑移开动。综上，镁合金孪生及退孪生过程研究及素高性能新型镁合金的研究与开发成为助推我国镁合金产业发展亟待解决的瓶颈问题。项目以镁合金为研究对象，针对镁合金孪生及退孪生过程，采用实验辅以数值模拟办法，分析研究了镁合金孪生及退孪生行为的影响因素。此外，针对高性能镁合金研究开发问题，我们设计并制备了性能优异的Mg-Sn-Zn和Mg-9Li-3Al合金。.EBSD数据分析和数值模拟结果表明AZ31镁合金试样在加载过程中应力集中区域是镁合金孪晶形核、长大的主要区域。试样卸载后，反向应力的存在导致退孪生过程，而开动位错与预孪生晶界之间的相互作用有助于孪晶的迁移，从而导致退孪生的加速。上述研究结果丰富了已有的镁合金塑性变形理论，能够为镁合金塑性成形工艺优化及新型高性能镁合金的研究开发提供实验数据和理论支持，从而助推我国镁合金产业的蓬勃发展。.研究选取合适的合金化元素，利用真空熔炼技术严格控制镁合金的熔炼工艺获得高品质镁合金铸锭，铸锭经热挤压和热处理后，得到高性能镁合金型材。其中，挤压态Mg-Sn-Zn-Ca合金的室温抗拉强度为264-279 MPa，室温延伸率为15-22%；经合金化后，铸态Mg-9Li-3Al合金的抗拉强度137-164 MPa，室温延伸率最高可达21%。上述研究结果为新型镁合金的研究开发提供数据支持，有助于提升我国镁合金成形技术水平，从而拓宽镁合金的应用领域。