基于扭转剪切变形的梯度结构镁合金可控制备与变形机理研究

Build of the gradient structure inside the materials can greatly improve the comprehensive mechanical properties of magnesium alloys and expand the scope of use of existing materials. High-efficiency and low-cost preparation technology is essential to promote the application and development of the magnesium alloy with gradient structure. The torsion deformation with gradient shear strain can introduce gradient plastic deformation to the bulk materials, and is considered to be a simple and effective method for the preparation of gradient structure. Previous studies also confirmed that torsion deformation was feasible for the preparation of gradient structure and enhancement of mechanical properties of magnesium alloys. In order to make the torsion processing technology and the gradient structure magnesium alloys get a wider range and deeper level of engineering application, it is necessary to further develop and research the torsion deformation process. Based on this background, Mg-Al series magnesium alloy rods are chosen as the starting material in this project. The characteristics of gradient structure and rules of microstructure evolution during various torsion processes and heat treatments will be investigated. Numerous mechanical property and anisotropy data will be obtained by tensile and compressive experiments. For deformed samples, twinning / dislocation slipping behaviors, microstructure and texture evolution will be quantitatively characterized. The aims are to realize the precise regulation of gradient microstructure and reveal the relationship between gradient structure characteristics and mechanical properties, to provide the new ideas for enhancing the comprehensive mechanical properties of magnesium alloy rods.

在材料内部构筑梯度结构可望大幅度提升镁合金材料的综合力学性能，进而扩大现有材料的使用范围。高效、低成本的制备技术对推动梯度结构镁合金的应用和发展至关重要。具有梯度剪切应变的扭转变形是在块体材料中实现梯度塑性变形的有效方式，因此成为一种简单有效地制备梯度组织的方法。申请人的前期研究证实扭转变形对于镁合金梯度组织的构筑和力学性能的改善是可行的。为了使扭转加工技术和梯度结构镁合金得到更广范围和更深层次的工程应用，有必要深入地开发和研究扭转变形工艺。基于此，本项目拟以Mg-Al系镁合金为研究对象，考察镁合金棒材在不同扭转和热处理工艺过程中的梯度组织特征及其演变规律，采用拉伸、压缩实验获得各种力学性能和各向异性数据，对变形样品的孪生/滑移行为以及组织织构演变进行定量表征分析。通过这些深入研究，实现梯度组织的精确调控并揭示梯度控制与性能之间的关系，为低成本制备综合力学性能优异的镁合金棒材提供新的思路。

在材料内部构筑梯度结构可望大幅度提升镁合金材料的综合力学性能，进而扩大现有材料的使用范围。具有梯度剪切应变的扭转变形是在块体材料中实现梯度塑性变形的有效方式，因此成为一种简单有效地制备梯度结构镁合金的方法。本项目以Mg-Al系镁合金为研究对象，系统考察了镁合金棒材在不同扭转和热处理工艺过程中的梯度组织特征及其演变规律，建立了扭转参数、梯度组织与力学性能间的关系，分析了梯度结构镁合金棒材的强韧性及塑性变形机理。扭转变形能引入大量{10-12}孪晶界和低角度晶界且弱化了初始的挤压织构。扭转应变的梯度分布导致扭转变形样品中不均匀的组织分布。从轴心到表面，孪晶量和小角度晶界密度逐渐增大，且织构的c轴趋于朝ED方向旋转。扭转路径对挤压态镁合金棒材的织构会产生极大的影响。单向的扭转变形可以引起织构的c轴逐渐地转向B纤维织构。反复的扭转对织构组分显示了较小的影响。退火处理可以维持扭转变形织构，然而引起了回复和再结晶。再结晶行为极大地依赖于扭转应变。高的剪切应变可以产生高的储存能，进而导致再结晶温度的降低。对于扭转变形后的AZ91合金而言，时效也可以引起析出特征的梯度变化。连续析出相的量依赖于位错密度和孪晶的体积分数。扭转变形可以提高挤压态镁合金棒的硬度。硬度值随等效应变的增加而增加。扭转试样的强化主要归因于位错强化和孪晶片层切割导致的细晶强化。梯度的组织分布导致梯度硬度的分布。高的扭转变形速度能够增加位错密度和孪晶形核数，从而提高了扭转变形试样的硬化效果。扭转变形引起的织构改变是调控镁合金棒材强韧性和各向异性的有效方法。扭转变形引起的织构改变会增加沿ED方向变形时基面滑移的Schmid因子，从而导致织构软化的效果并有助于韧性的增加。退火处理可以弱化位错强化的效果，然而维持了扭转变形织构。因此，扭转后的退火处理后可以进一步增加材料的韧性。此外，扭转变形引起的织构改变也可以极大地降低镁合金挤压棒材的屈服不对称性。