固溶稀土元素强韧化镁合金机理的同步辐射研究

Addition of small amount of rare earth elements can greatly improve the strength and ductility of Mg alloys. An important mechanism is that those solute rare earth elements change the critical resolved shear stress (CRSS) of the slip systems and twinning systems in Mg. Understanding of this effect, however, is still qualitative rather than quantitative at this time, mainly due to the lack of experimental data. In this project, we plan to tackle this problem by using synchrotron X-ray based in situ Laue microdiffraction and three dimensional X-ray diffraction (3DXRD) techniques. Both techniques are able to identify slip and twinning activities in individual grains during material deformation, while also providing instantaneous stress tensor in these grains. From these information, CRSS for corresponding slip modes and twinning modes can be accurately calculated. Using Laue microdiffraction and 3DXRD, we are going to systematically and quantitatively study how rare earth elements such as Y, Nd, and Gd will affect the CRSS of slip and twinning modes in Mg, analyzing the role of rare earth elements on the activation of non-basal slip and non-{10-12} twinning. The above research will provide scientific guideline for future development of Mg alloys with excellent mechanical properties.

在镁合金中添加少量固溶稀土元素往往能够显著提高材料的强度与塑性，其中一个重要机制是固溶稀土元素改变了镁基体中的滑移系统及孪晶系统的临界分切应力(CRSS)。然而，目前对这个效应的认识仅停留在定性阶段，缺乏定量实验数据。在本项目中，我们将通过原位劳厄微束衍射和原位三维X射线衍射这两种基于同步辐射的新型表征技术来研究这个问题。这两种技术均能够对多晶材料在变形过程中个体晶粒内发生的滑移及孪晶行为作观测，并同时测量这些晶粒内部的即时应力张量。根据这些信息，可以准确计算对应的滑移系统及孪晶系统启动的CRSS。运用这些方法和技术，我们将系统和定量地研究Y、Nd、Gd等稀土元素对镁合金的各个滑移系统及孪晶系统的CRSS的影响，并进一步分析稀土镁合金中非基面滑移及非{10-12}孪晶系统的开启机制，为今后开发高强高塑性稀土镁合金提供重要科学依据。

在镁合金中添加少量固溶元素往往能够显著提高材料的强度与塑性，其中一个重要机制是固溶元素改变了镁基体中的滑移系统及孪晶系统的临界分切应力(CRSS)。然而，目前对这个效应的认识仅停留在定性阶段，缺乏定量实验数据。在本项目中，我们通过原位三维X射线衍射(3DXRD)和劳厄微束衍射这两种基于同步辐射的新型表征技术来研究这个问题。3DXRD能够对多晶材料在变形过程中晶粒的取向旋转作观测，以此判定晶粒内启动的滑移系，通过分析晶粒内部的即时应力张量，可以计算启动的滑移系统的CRSS。劳厄微束衍射可以分析晶粒内部不同区域的几何必须位错所对应的滑移系，特别适合分析在晶粒中启动多个滑移系的情形。 . 运用原位3DXRD，我们研究了稀土元素Y对镁合金滑移系启动的影响，发现Y可以大幅降低非基面<a>滑移与基面滑移的CRSS比值。运用原位劳厄微束衍射，发现Y可以诱导<c+a>位错的形核。非基面滑移的启动是Mg-Y合金具有高塑性的关键原因。之后，我们发现了使用非稀土元素Ca作为合金元素，也能促进镁中的非基面滑移，提升Mg-Ca合金塑性。当在镁中同时添加Al和Ca两种合金元素后，由于两种元素的协同作用，可以进一步促进非基面滑移，Mg-Al-Ca三元合金的延伸率甚至超过了Mg-Y稀土镁合金。上述合金元素对孪晶启动均有抑制作用。. 本工作从微观变形机制角度揭示了合金元素对镁的力学性能影响的本质原因，为开发高强高塑性镁合金提供重要科学依据。