基于室温扭转剪切的Mg-Gd-Y-Zr镁合金梯度孪生及高强韧化机理研究

Low strength and poor plasticity greatly hindered the industrial applications of Mg and its alloys, due to their few slip systems. To overcome the “strength toughness trade-off” in metallic materials, and to acheieve the high strength and good plasticity simultaneously have been a vital research for the fields of devolping Mg alloys. It has been reported that deformation twinning in Mg-Gd-Y-Zr alloys with high strength and high thermal stability, could divide big grains apart, accelerate dynamic recrystallization and interact with solute alloy elements, resulting in effective improvements for mechanical properties. In this project, we will take advantages of the coupled heterogeneous structural materials and deforming twins, to fabricate a gradient-twinning structural Mg-Gd-Y-Zr alloy via torsional shear deformation at room temperature. Formation machanism of the gradient-twinning structure, grain refinement mechanism induced by twinning and response regularity of mechanical property will be studied systematically. Furthermore, in combination with exploring the effect of alloying elements on activating deformation tiwnning through the density functional theory stimulation, we will deeply reveal the strenghening and toughening plastic deformation mchanism in Mg-Gd-Y-Zr alloy. Finally, this project will provide appllication guidance for devolping high strength-toughness Mg-Gd-Y-Zr alloys, and will also lay the foundation for discovering strenghening and toughening plastic deformation mchanism in Mg alloys.

镁合金滑移系少，强度低、塑性变形能力差一直是限制镁合金广泛工业应用的瓶颈问题。如何有效克服金属材料“强度-韧性”此消彼长的困窘，达到同时增强增韧的效果，已经成为镁合金领域最重要的研究方向。研究发现，高强高热Mg-Gd-Y-Zr合金中变形孪生具有分割大晶粒、促进动态再结晶、与溶质合金元素发生交互等作用，从而有效改善合金力学性能。本项目将通过耦合非均质结构材料和孪生变形的优势，于室温下扭转剪切变形制备梯度孪生结构Mg-Gd-Y-Zr合金，系统地研究梯度孪生结构形成机制、孪生诱导晶粒细化机制和力学性能响应规律；再结合DFT模拟，探讨合金元素对体系孪生激活的影响，深入揭示合金体系增强增韧变形机制。本项目的研究，将为高强高韧Mg-Gd-Y-Zr合金应用研发提供指导，并为揭示镁合金强韧化机理奠定研究基础。

镁合金滑移系少，强度低、塑性变形能力差和易腐蚀一直是限制镁合金广泛工业应用的瓶颈问题。如何有效克服金属材料“强度-韧性”此消彼长的困窘，达到同时增强增韧的效果，已经成为镁合金领域最重要的研究方向。研究发现，高强高热Mg-Gd-Y-Zr合金中变形孪生具有分割大晶粒、促进动态再结晶、与溶质合金元素发生交互等作用，从而有效改善合金力学性能。此外，镁合金超疏水表面呈现出优异的机械耐久性以及对水和有机液体的排斥性，有效提高镁合金耐腐蚀性能，拓宽合金应用领域。本项目于室温下扭转剪切变形制备梯度孪生结构Mg-Gd-Y-Zr合金，系统地研究梯度孪生结构形成机制，再结合超疏水表面构筑，探讨镁合金表面抗油抗冰性能，深入揭示镁合金合金增强增韧变形机制和表面抗污行为。. 本项目执行期间主要研究了以下几方面的内容：. 首先，热挤压Mg-Gd-Y-Zr镁合金在室温下进行扭转剪切变形，研究合金材料沿直径方向变形组织演化行为。通过研究梯度孪生变形过程中多次孪晶的类型，分析激活孪生、形成孪生带和细化晶粒之间的关系，进而探讨梯度孪生变形诱导晶粒细化行为，揭示该合金室温下剪切变形的晶粒细化机制，进而有效构筑梯度纳米孪晶。.此外，通过酸蚀和超声波协同作用，在镁合金表面制备了具有纳米褶皱结构的超疏水表面（SHS），该表面具有优异的机械耐久性以及对水和有机液体的排斥性。通过测量冰层粘附力进一步研究了其防冰性能。结果表明，过冷水的润滑作用可以进一步降低超疏水表面（SHS）表面的冰层粘附力， 其中具有褶皱结构的地方冰层粘附力最小。. 本项目的研究，将为高强高韧Mg-Gd-Y-Zr合金应用研发提供指导，并为揭示镁合金强韧化机理奠定研究基础，也为车用轻量化镁合金材料的抗污防护性能提供了一定的实践借鉴意义。