镁合金晶粒细化与塑性调控

Enhancing the room temperature ductility of Mg alloys is very important for their wide application in industry. Grain refinement is a useful way for that purpose. However, the influence of grain size to the mechanical properties for Mg is a multi-scale problem. So Far, there is not a universal theory to describe the relationship of grain size, micro-deformation mechanisms, and macroscopic mechanical properties in Mg. The project will use in situ scanning electron microscopy and electron backscattered diffraction (in situ SEM/EBSD), transmission electron microscopy (TEM), high angle annular dark field scanning transmission microscopy (HAADF-STEM), in situ synchrotron radiation X-ray diffraction (in-situ synchrotron XRD) and other advanced experimental techniques to study deformation mechanisms of Mg, and how these mechanisms are affected by the grain size. We focus on four issues, including (1) how grain size affects the competition between slip and twinning, basal slip and non-basal slip, (2) how grain size affects the slip transfer at grain boundaries, (3) how grain size affects the stability of <c+a> dislocations, (4) the alloying effect. From this project, we aim to establish a general theory to relate grain size and ductility for various Mg alloys. The theory will be useful for new alloy development and improve processing technologies in the future.

提升室温塑性是镁合金大规模产业化应用所面临的极大挑战。晶粒细化是提升镁合金塑性的重要手段。然而，晶粒尺寸对镁合金力学行为的影响具有多尺度性，迄今也没有建立起普适的机理来描述晶粒尺寸、微观变形机制、材料宏观塑性三者之间的内禀联系。本项目采用原位扫描电子显微镜/电子背散射衍射、透射电子显微镜、高角度环形暗场扫描透射显微、原位同步辐射X射线衍射等先进实验分析技术研究镁合金变形机制及变形行为的晶粒尺寸效应。重点澄清（1）不同晶粒尺寸下滑移与孪晶、基面滑移与非基面滑移之间相互竞争的关系；（2）晶粒尺寸对晶界两侧变形协调行为的影响；（3）晶粒尺寸对<c+a>位错滑移稳定性的影响；（4）合金元素对镁合金滑移与孪晶的影响这四个科学问题。通过本研究，将建立起镁合金晶粒尺寸与宏观塑性之间的力学本构关系，实现晶粒尺寸-成分-塑性优化匹配，为设计新型镁合金及发展先进塑性加工技术提供理论支持。

镁及其合金是最轻的结构金属材料之一，在汽车工业和航空航天工业具有巨大的应用潜力。然而，镁合金的广泛应用仍受到其强度低及塑性差的限制。大量实验结果表明细化晶粒是改善镁合金强度和塑性最有效的方法之一，但是目前对其塑性变形过程研究仍然不够清晰。本项目通过热挤压、热轧制和粉末冶金等方法制备了纯Mg、Mg-Ca、Mg-Y、AT33等多种镁合金并通过改变热处理参数调控其晶粒尺寸。主要研究内容包括：对不同镁合金进行力学性能测试以获得其规律；通过原位EBSD、TEM位错鉴定等多种表征手段研究在不同拉伸应变的微观变形机制；通过原位同步辐射及EVPSC拟合等方法结合研究其塑性变形过程及其与孪晶的关系；通过机器学习等新方法研究孪晶形核条件及第二相强化机制；研究合金元素对力学行为及其变形机制的影响。所取得的创新性成果如下：（1）对AT33合金晶粒尺寸研究表明大晶粒尺寸样品中孪晶的产生及其导致的位错积累是提升加工硬化率的一个重要原因，同时模拟结果表明而锥面<a>滑移和<c+a>滑移的比例随着晶粒尺寸的升高相应提高；（2）采用原位EBSD、3DXRD和白光微束实验等多种方法研究了Mg-Y合金的塑性变形机理，发现Y元素可以有效降低非基面滑移和基面滑移的CRSS比值，提高非基面滑移的激活比例从而提高其塑性，除Mg-Y合金外同时研究了Mg-Ca、Mg-Nd、Mg-Y-Zn等合金的变形机制；（3）采用机器学习方法研究孪晶形核和第二相强化机制等并建立了相关模型；（4）研究了Mg-Y和GW83等镁合金的晶间协调因子在变形过程中的贡献，提出了涵盖晶粒取向、晶间关系的变形协调因子mk；（5）基于获得的材料变形机制设计了Mg-Al-Ca等高性能镁合金，较低的生产成本使其具有很好的实际应用前景。通过以上研究，在Acta Materialia、International Journal of Plasticity等国内外期刊发表论文24篇，授权国家发明专利4项，培养毕业博士研究生4名、硕士研究生7名。