金属Mg中孪晶形核与生长、二次孪晶变体优选机制及过渡态构型的跨尺度研究

Mg and Mg alloys are advanced light-weight structural materials which can be widely used in key components in aerospace industry, and are therefore regarded as one of the key materials in 12th Five Year Plan. Nevertheless, poor ability for deformation of Mg alloys largely hampers their wide applications in industry. Twins in Mg alloys greatly improve the deformability of the material，although twin-grain boundary (GB) and twin-twin boundary compatibility interactions frequently lead to crack initiation. Besides, Mg alloys in safety critical applications have to consider negative influence from shear strain localization introduced by secondary twinning. A fundamental gap in the understanding of Mg alloy deformation needs therefore to be addressed before Mg alloys' critical applications in industry, which relates to atomistic and mesoscopic description of dislocation-dislocation, dislocation-twin, twin-twin, and twin-GB interactions and their effects on strain hardening and damage initiation. This project is mainly focused on the atomistic/mesoscopic modeling of first/second order twins nucleation and growth using transition states theory. The distribution of strain compatibility in the proximity of twins will be studied using methodologies coupling MD， kinetic MC and phase field theory, and thus reveal the selection rule of different variants of the second order twins and its' influence on first/second twins growth. The fundamental understandings of the structure-properties relationship in Mg alloy will enable the design and optimization of manufacturing techniques, and finally leads to the industrialization of the advanced lightweight Mg alloys

镁（Mg）及镁合金是国家十二五计划优先发展的先进轻质结构材料，在航空航天关键部件上有着广泛的应用前景。Mg合金变形能力差是其产业化的最大障碍。虽然孪晶能显著增强Mg合金的变形能力，但在孪晶之间及孪晶与晶界的交截处易产生裂纹,且二次孪晶会引起较大的剪切应变局域化,影响材料的安全服役。因此只有在原子和介观尺度下系统地阐明位错与位错，位错与孪晶，孪晶与孪晶，孪晶与界面的相互作用机理之后，Mg合金才能在航空航天的关键部件得以安全的使用。本项目在原子和介观尺度下，以Mg及Mg合金中的一次及二次孪晶为研究对象，使用过渡态理论动态地描述孪晶形核和长大过程，利用相互耦合的分子动力学，动力学蒙特卡罗及相场方法来研究孪晶变体周围协调应变的分布，以及该分布对二次孪晶变体优选规律和一、二次孪晶长大的影响。充分理解其结构-性能的关系，实现变形过程中对组织结构的预测，并结合实验验证，改进加工工艺促进Mg合金的工业化生产应用。

做为国家十三五计划优先发展的先进轻质结构材料镁（Mg）及镁合金在日用电子、航空航天关键部件上有着广泛的应用。但是相对于传统的结构材料，如体心立方的钢铁以及面心立方的铝合金来说，镁合金的变形能较差，这一缺陷成为了其产业化的最大障碍。其根本原因是因为在其变形过程中孪晶而非位错在起主导作用。因此，孪晶与晶体中的本征缺陷包括位错、晶界的相互作用，以及孪晶与孪晶之间的相互作用会极大的影响孪晶的动力学行为，进而影响镁合金的服役行为。本项目在原子和介观尺度下，耦合了分子动力学、相场方法以及动力学蒙特卡洛方法，系统地阐明了位错与孪晶，孪晶与孪晶，孪晶与界面的相互作用机理。研究了孪晶变体周围协调应变的分布，以及该分布对二次孪晶变体优选规律和一、二次孪晶长大的影响。主要得出了如下的规律：（1）位错迁移是孪晶形核和长大的主要过程，位错与位错及界面位错的反应很大程度上决定了孪晶的形核和生长过程，（2）孪晶之间的位相关系以及孪晶与孪晶的种类，对孪晶的生长过程有着很重要的影响，（3）在大部分情况下，晶界会阻碍孪晶的生长，只有在取向因子较为吻合的情况下，孪晶能够穿透晶界，在临近的晶粒形成新的孪晶核心，（4）温度和应变速率对孪晶的形核和生长有着关键的作用。温度升高，应变速率增大，会增大孪晶生长的各向同性。