密排六方金属深低温轧制孪生变形机理及微观组织、织构演变规律研究

Cryorolling is an effective way for manufacturing nano-materials. The core technology of this manufacturing method is microstructural and textural control. Twinning plays a critical role during this progress. Many types of twins can be found in HCP metals, thus two typical HCP metals i.e. AZ31 magnesium alloy and commercial pure titanium will be chosen as the starting materials. Initial plates will be cut in the ways that they have different textures. Both types of plates will be rolled at the ambient or liquid nitrogen temperature. EBSD and TEM technologies will be applied to the rolled samples for characterizing the twins and showing the fine substructure of inner twins. The twin variant selection rule will be discussed and the influences of crystal orientation, rolling temperature, magnitude of strain will be also under care. The microstructural evolution and the relevant deformation mechanism of twins subjected to rolling at both low temperatures will be studied and explained in rules. The influences of twins on the bulk microstructural and textural evolutions will be analyzed specifically according to the different twin types. The results will be not only important for applying the deformation theory to cryogenic temperature, but also a core law benefitting for the rolling process optimization and microstructural control.

深低温轧制是制备纳米金属材料的有效方法，微观组织调控是其核心技术，孪生变形在其中扮演重要角色。HCP金属中孪生类型丰富。本研究拟选用两种典型的HCP金属结构材料AZ31镁合金和纯钛，设计织构不同的初始板材，分别在室温和液氮温度下轧制变形。应用EBSD和TEM技术对板材中孪晶及其孪晶内亚结构进行定量表征。深入分析各类孪生在低温变形条件下的择优规律，阐明晶体取向、轧制温度、变形量的定量影响规律。深入研究低温轧制变形条件下孪晶的变形行为，阐明继续变形过程中孪晶的微观组织演变规律及机理，建立其与晶体取向、轧制温度、变形量的定量联系。分类研究各类孪晶及其演变组织对板材显微组织及织构的影响，阐明深低温轧制变形过程中板材微观组织与织构的演变规律及机理。研究结果既是HCP金属低温变形基础理论的重要组成部分，又是优化设计低温轧制工艺、实现变形金属微观组织调控的核心规律。

本研究选取具有轴比不同、滑移系不同、易孪生类型不同的两种典型HCP金属AZ31镁合金与TA2钛合金为模型金属，研究了初始织构、轧制变形温度、变形量等工艺条件变化时板材的微观组织、变形机制、力学性能的演变规律，阐明了镁合金、钛合金中各类孪生的择优机理。研究工作取得的主要进展总结如下：（1）明确了孪生是低温小变形量轧制镁板、钛板微观组织变化的主要原因；指出孪生是低温轧制钛合金中的主导变形机制，是镁合金中的重要补充变形机制；镁合金中的易孪生类型单一，钛合金中改变初始织构或轧制温度可激发多种类型的孪生；阐明了调控镁合金与钛合金微观组织的主要工艺因素及机理：低温轧制变形时，镁合金与钛合金中孪生与位错滑移的相对活跃程度的不同，孪生主要受取向因素影响，而位错主要受热激活的制约，初始织构是影响镁合金轧板微观组织形貌的主要工艺因素，轧制钛板中的位错滑移更不活跃，因此其微观组织形貌同时受到织构和变形温度的影响；进一步阐明板材力学性能与微观组织之间的联系，通过调控不同的工艺参数，获得孪晶含量较多，而位错滑移较少、变形储能较低的板材，通过孪晶强化和加工硬化可获得综合力学性能更高的轧制镁合金、钛合金板材。（2）提出了可统一适用于轧制变形条件下镁合金、钛合金中孪生类型、变体择优的“等效Schmid因子”；并阐明其应变协调物理意义；阐明了镁合金、钛合金中孪生变形的宏观变形协调差异来自于其中位错滑移的活跃程度的差异；阐明了镁合金中二次孪晶、钛合金中孪晶簇的局部应变协调激发机理。本项研究成果针对典型的HCP模型金属镁、钛合金阐明了低温轧制过程中初始织构、变形温度、变形量对板材微观组织与力学性能的影响机理，提出了统一的孪生择优机制，研究结果即有助于深入、系统的理解HCP金属的低温变形以及组织演变机理，又可应用于板材组织与性能模型预测，为HCP金属的组织预测与性能设计提供了实验基础与理论依据，对其微观组织、轧制工艺优化设计亦有着明确的指导价值。