{10-12}-{10-12}二次孪晶诱发AZ31镁合金疲劳断裂失效机理研究

The stress concentration on the twin boundary is the main reason for the fatigue fracture in magnesium alloys. However, the mechanism of twin-induced fatigue fracture in AZ31 magnesium alloy is still controversial, due to the complexity of microstructure evolution in the fatigue process. Recently, high density {10-12}-{10-12} secondary twin laminas were found in the fatigue fracture zone of AZ31 magnesium alloy, the corresponding twin-induced fracture mechanism has not yet been clarified, and the study of the microstructure evolution and the interaction mode between dislocation with {10-12}-{10-12} twin boundary are the prerequisites for interpreting the fatigue failure mechanism. In this program, multiple techniques will be employed, including scanning electron microscope (SEM), transmission electron microscopy (TEM) etc. The relationship between micro/macro cracks and {10-12}-{10-12} double twin will be clarified by dynamic tracing the {10-12}-{10-12} double twin boundaries, the interaction model between dislocation and {10-12}-{10-12} secondary twin boundaries will be established to reveal the {10-12}-{10-12} secondary twin-induced fatigue fracture mechanism in AZ31 magnesium alloy, these provide the theory basis for develop high service performance materials and design deformation processes in magnesium alloys.

孪晶界面应力集中是镁合金疲劳断裂的主要原因，然而，镁合金疲劳过程中微观组织演变的复杂性，导致学术界对孪晶诱发镁合金疲劳断裂机理的理解尚未统一。最近，AZ31镁合金疲劳断口中发现高密度的{10-12}-{10-12}二次孪晶片层，其诱发疲劳断裂失效机理尚待澄清，而考察{10-12}-{10-12}二次孪晶界面的演变过程以及位错与之交互反应模式是诠释其诱发疲劳断裂失效机理的前提。因此，本项目拟通过扫描电子显微镜、透射电子显微镜等多种表征技术，对AZ31镁合金疲劳中{10-12}-{10-12}二次孪晶界面进行动态追踪，明确其在疲劳过程中与疲劳微观/宏观裂纹之间的关系，建立位错与{10-12}-{10-12}孪晶界面交互作用的位错反应模型，以期揭示AZ31镁合金疲劳变形中{10-12}-{10-12}二次孪晶诱发断裂的失效机理，为开发设计高服役性能镁合金材料与工艺提供理论依据。

{10-12}-{10-12}二次孪晶边界由于其尺寸的局限性会引起巨大的局部应力集中，从而导致裂纹的萌生。然而，学术界迄今为止对镁合金中{10-12}-{10-12}二次孪晶诱导裂纹机制并不明晰，给深入研究镁合金疲劳的断裂机理造成了阻碍，严重影响了其在工程实际中的应用和发展。而澄清AZ31镁合金疲劳变形中二次孪晶疲劳断裂之间的关联性，并明晰其失效机理，将对AZ31变形镁合金的工程应用提供可靠的科学理论价值。本项目采用包括电子背散射衍射、透射电子显微镜在内的多种表征技术，对{10-12}-{10-12}二次孪晶边界微观结构进行了研究。主要从以下几个方面着力研究：(1)确定{10-12}-{10-12}二次孪晶界面变化过程中裂纹萌生过程；(2)对AZ31镁合金疲劳变形过程中的位错与{10-12}-{10-12}二次孪晶界面的交互作用进行系统、深入的表征研究；(3){10-12}-{10-12}二次孪晶调控措施；(4) AZ31镁合金疲劳断口中片层状组织结构的表征。本项目的重要结果包括：(1)阐明镁合金疲劳过程中{10-12}-{10-12}二次孪晶与疲劳微裂纹之间的直接或间接关系；(2)结合位错反应理论，揭示了AZ31镁合金疲劳变形中的失效机理；(3)在应变量为1%的拉压变形中的较厚的一次{10-12}孪晶片层能够激活{10-12}-{10-12}二次孪晶，而在0.5%应变量下，较窄的{10-12}孪晶片层未能在低应变振幅下激活{10-12}-{10-12}二次孪晶。(4)疲劳样品中除{10-12}-{10-12}二次孪晶片层外，还存在{10-11}-{10-12}二次孪晶片层。该课题的成功实施和开展，不但可丰富镁合金疲劳断裂失效机理，同时也有助于开发设计更可靠耐用的镁合金材料提供基础科学理论指导。