冲击载荷作用下LPSO结构增强镁-稀土合金变形和损伤机理研究

Mg-RE alloys strengthened by long period stacking ordered (LPSO) structure, have great potential applications in the fields of automobile, aerospace and weapon industries due to their high strength and excellent heat resistance. Mechanical behaviors, deformation and damage mechanisms of these alloys under quasi static loading conditions have been studied extensively all over the world. However, studies performed under dynamic loading conditions are still lacking until now..The dynamic mechanical properties of the as-extruded Mg-9RY (RY:Y-rich misch metal)-4Zn alloy (strengthened by LPSO structure) were measured preliminarily in our group in the previous studies. The results showed that the alloy exhibited excellent impact resistance. In this proposal, the as-extruded Mg-9RY-4Zn alloy is selected for investigation, its dynamic mechanical properties at various temperatures and strain rates will be measured using Split Hopkinson Pressure Bar experimental techniques, furthermore, its dynamic constitutive relation will be built; Combining with the microstructure analysis techniques of materials science, the deformation mechanisms of the alloy will be studied via morphology observation and evolution analysis of the dislocation, twin and LPSO structure; The damage mechanisms will be revealed based on the investigation into the models of fracture, the formation, propagation of crack and the deformation of adiabatic shear..This study will provide a theoretical basis for designing new high-performance Mg-RE alloys with a LPSO structure.

长周期堆垛有序（LPSO）结构增强的镁稀土合金，由于具有高的强度和优异的耐热性能，在汽车、航空航天和武器装备等领域中展现了广阔的应用前景。国内外学者对其在准静态载荷作用下的力学行为、变形和损伤机理已开展了深入研究。然而，关于该材料在冲击加载条件下的研究至今尚未报道。.课题组前期对挤压态Mg-9RY（富钇）-4Zn合金（LPSO结构增强）的动态力学性能进行了初步测定，结果表明该合金具有优异的抗冲击性能。本申请拟以该合金为研究对象，利用分离式霍普金森压杆实验技术，测定其在不同温度及应变速率下的动态力学性能，进而建立动态本构方程；结合材料学微观分析技术，通过对变形后基体中位错、孪晶和LPSO结构的形貌观察及演变分析，阐明合金高应变率下的变形机理；通过对断裂方式、裂纹形成与扩展、绝热剪切变形的研究，揭示合金高应变率下的损伤机理。.本项目可为LPSO结构增强的新型高性能镁稀土合金的设计提供理论支撑。

近年来，长周期堆垛有序(LPSO)结构增强的稀土-镁合金由于具备优异的室温及高温力学性能、抗蠕变性能、抗疲劳性能和耐腐蚀性能，在航空航天、武器装备以及汽车制造等领域展现了广阔的应用前景。但是，在实际应用过程中，该材料难免会遇到外界物体的高速撞击(即冲击载荷的作用)。因此，本项目以挤压态Mg-9RY-4Zn合金(一种典型的LPSO结构增强的稀土-镁合金)为研究对象，研究了其在冲击载荷作用下的力学性能、变形及损伤机理。.挤压态Mg-9RY-4Zn合金主要是由条带状的LPSO相和细小的动态再结晶晶粒组成。在冲击载荷作用下，该合金表现出优异的抗冲击性能。室温下，应变率为~3000/s时，该合金的屈服强度、最大真应力及真应变分别高达369.28±4.03MPa、585.26±5.68MPa及0.215±0.012。250℃，应变速率为~3000/s时，该合金的屈服强度、最大真应力及真应变仍高达249.21±4.23MPa、396.11±6.16MPa及0.216±0.015。另外，本项目还以Johnson-Cook模型为基础，建立了该合金的本构方程。在冲击载荷作用下，该合金的主要变形机理为滑移。LPSO结构能够将位错运动限制在一个纳米级尺度范围内，有效阻碍了位错的运动，增强了挤压态Mg-9RY-4Zn合金的抗冲击性能。另外，冲击载荷作用下，LPSO结构的变形机理为自身弯折(Deformation Kinking)。这种变形机理也有利于挤压态Mg-9RY-4Zn合金的强度和塑性。挤压态Mg-9RY-4Zn合金损伤机理研究表明：在冲击载荷作用下，LPSO结构能够有效地抑制合金中微裂纹的扩展。一方面，增加了合金中裂纹扩展所需要的驱动力，提高了合金的强度；另一方面，避免了合金过早地断裂，提高了合金的塑性。.本项目的研究成果可为LPSO结构增强的高性能稀土-镁合金的实际应用提供冲击加载方面的基础数据和理论支撑。