孪晶结构镁基单相固溶体合金的变形与力学行为研究

Strengthening materials by engineering coherent internal boundaries such as stacking fault and twin has successfully realized simultaneous increase of strength and ductility in fcc metals; in contrast, there is limited information on hcp metals. In hcp polycrystalline Mg alloys, {10-12} tensile twinning is the most common type, as well as {10-11}-{10-12} double twining under compression stress along c-axis or tensile perpendicular to c-axis. Based on this characteristics, the deformation mechanism and mechanical behavior of hcp Mg with the above-mentioned twin structure will be systematically studied in this work. A series of Mg-X dilute binary Mg alloys will be designed, where solute X will be selected from the view of its influence on the stacking-fault energy of Mg, which will be obtained by first-principles density functional calculations. The relationship between twin structure, microstructural characteristics, deformation conditions and microstructural evolution during deformation will be detailed. Materials parameters, including stacking-fault energy, vacancy-solute binding energy, and vacancy density, their importance and controlling mechanism on the micro-plastic deformation behavior and mechanical properties of twin-structure hcp Mg alloys will be revealed. Research results will not only be helpful to development of basic theory on deformation behaviors of hcp metals, but also provide a new path for new alloy design and improvement of both strength and ductility for Mg alloys.

利用孪晶/层错共格界面强化材料在面心立方结构金属材料中成功实现了强度与塑性的同步增长，而在密排六方结构材料中的相关研究则非常欠缺。本课题利用镁合金中易产生{10-12}孪晶、沿平行于c轴方向压缩或垂直于c轴方向拉伸易于发生{10-11}一次孪生和{10-12}二次孪生的特点，同时基于第一性原理计算、设计Mg-X二元固溶体合金调整其层错能，系统研究具有孪晶结构的密排六方镁基单相固溶体合金的变形机制和力学行为。探索孪晶结构参数、显微结构特征、变形条件（预处理，预变形，变形量，应变速率和温度等）与变形过程中微结构演变之间的相互关系，考察层错能、空位结合能、空位浓度等材料特征参数在调控孪晶结构镁合金微观变形机制和力学行为方面的规律和机理。研究结果有助于发展和完善孪晶结构密排六方金属材料的变形力学行为方面的共性基础规律，并为改善镁的塑性成形性和强韧性等力学性能、设计新型合金提供新的途径和理论依据。

采用第一性原理系统模拟了合金元素对镁广义层错能的影响（涉及到的滑移系包括基面、柱面和锥面），对I1层错能的影响，以及对（0001）表面裂纹形成能的影响。从基面位错的运动模式、非基面位错开启的难易程度、模式I下的本征塑性的角度，首次综合评价了合金元素对镁变形模式的影响。结果表明，合金元素Ag、Al、Ca、Dy、Er、Ga、Gd、Ho、Li、Lu、Nd、Sm、Y、Yb、Zn有利于<c+a>滑移系的开启并提高合金的本征塑性，其中，Er、Ga、Gd、Nd、Sm、Zn的作用尤为明显。此外，合金元素Al、Bi、Ca、Dy、Er、Ga、Gd、Ho、In、Lu、Nd、Pb、Sm、Sn、Y、Yb可明显降低I1层错能，而Al、Bi、Dy、Er、Ga、Gd、Ho、In、Lu、Nd、Pb、Sc、Sm、Sn、Y、Yb、Zr使得基面位错的运动模式倾向于连续错排机制，且有利于提高I1和I2层错的密度。.选择了对开启<c+a>滑移作用尤为明显的代表性元素Er和Zn，以及明显降低I1层错能、<c+a>滑移系稳定和非稳定层错能的稀土元素Nd，定量表征了其对<c+a>滑移和拉伸孪晶的临界分切应力的影响，从本质上探讨了合金元素对变形行为的作用机理。结果表明，固溶的Zn增大孪生的临界分切应力；固溶的Er通过减少<c+a>滑移与孪生的CRSS的差异而显著促进<c+a>滑移。Nd含量由0.03at%提高至0.18at%，对孪生的CRSS无明显影响，但显著降低<c+a>滑移的CRSS。为通过合金元素协调滑移与孪生、改善力学性能提供了理论指导。.获得了孪晶在变形过程中组织形貌、微结构演变规律以及变形力学行为。表征了孪晶与基面位错交互作用条件下（10-12）和 （10-11）孪晶的界面微结构及其演变，并提出了相关机制；实验证实了变形孪晶形核的孪晶位错机制，首次报道了（10-12）孪晶在基体内部形核，这也是目前实验中发现的最小的孪晶（厚~30nm）；首次发现了变形后期（30-34）新孪晶形核，并对其界面微结构进行了分析表征。通过感应加热淬火改变空位浓度，发现过饱和空位的存在明显改变孪晶结构镁合金的孪生与退孪生行为，提高合金的塑性变形能力，显著降低合金在室温成型时的拉压不对称性。采用分子动力学研究了孪晶与层错的交互作用和规律，首次探索了基面层错对（10-12）孪晶的阻碍作用，为利用层错强化孪晶提供了基础依据。