镁合金中高密度孪晶-沉淀相结构的强化机制研究

For the precipitate hardened Mg alloys, grain refinement by grain boundary cannot obtain high grain refinement hardening together with high precipitate hardening. Twinning constitutes one of the main deformation modes of Mg alloys with a hcp structure. A high density twin-precipitate structure was prepared by compound use of a multi-directional forging and artificial aging process, with the aim to fabricate high strength Mg alloys with a desirable ductility. A great emphasis in this project is laid on the fabrication of high density twin structure, a quantified characterization of deformed microstructure, the precipitation in high density twin structure, the mechanical behavior and deformation mechanism under loading along different directions. Finally, a quantified relationship between the processing parameters and microstructure, the hardening model of twin-precipitate structure and the principle to design high strength twin-precipitate structure in Mg alloy will be built. The results in this project can advance the hardening theory of Mg alloys and provide a new strategy for fabrication of high performance Mg alloys.

本申请以沉淀硬化镁合金为研究对象，针对传统细晶强化方法（晶界细化晶粒）不能同时充分利用细晶强化和沉淀强化的问题，利用六方结构镁合金易孪生变形的特点，提出了多向锻造制备高密度孪晶+时效处理的方法，制备高密度孪晶-沉淀相结构，获得高强高韧镁合金。系统地开展高密度孪晶组织制备及微观组织的定量表征与分析、高密度孪晶组织中的沉淀析出行为及机制、孪晶-沉淀相结构沿不同方向加载的力学行为和变形机制，通过微观组织的定量表征与分析，建立加工参数与微观组织之间的定量关系、发展多种变形机制共存情况下的孪晶-沉淀相结构强化模型、建立高强孪晶-沉淀相结构的设计准则。通过本项目的研究，发展镁合金强韧化理论体系，为镁合金强韧化提供新的解决方案和理论指导。

本项目以沉淀硬化镁合金为研究对象，针对传统细晶强化方法（晶界细化晶粒）不能同时充分利用细晶强化和沉淀强化的问题，利用镁合金易孪生变形的特点，制备高密度孪晶-沉淀相结构，获得高强高韧镁合金。. 主要开展了以下三方面研究内容：（1）AZ80、ZK60、EW75及Mg-15Gd合金中高密度孪晶制备；（2）高密度孪晶组织的时效析出行为；（3）孪晶-沉淀相结构的力学行为及强韧化机制。. 重要研究发现包括：（1）建立了高密度孪晶组织的制备工艺准则，即多向交替变形+道次间高低应变匹配，制备出了最细孪晶片层接近200纳米，平均晶粒尺寸300纳米的超细晶组织；（2）高密度孪晶组织中位错及孪晶界面显著改变沉淀相几何特征和分布规律，孪晶界面是沉淀相重要的形核位置，孪晶界附近不形成晶界无析出带；（3）孪晶-沉淀相结构是有效的高强高韧结构，同时可以显著降低拉压屈服不对称行为，其中AZ80合金的高密度孪晶-沉淀相结构获得了469MPa的抗拉强度，接近高强稀土镁合金，为低成本高强镁合金的制备提供了新的解决方案；（4）建立了高密度孪晶-沉淀相结构强韧化机制，高密度-孪晶沉淀相结构中，细晶强化对强度的提升显著高于沉淀强化，孪晶-沉淀相结构高塑性的主要机制为：位错穿越孪晶界面及孪晶界面移动可以协调塑性变形，降低界面的应力集中，延缓裂纹形成。