准晶强化双相Mg-Li-Zn-Y合金的高周疲劳行为及其失效机理研究

On the basis of the combination of material-mechanics-physics, this project is to research the high cyclic fatigue behavior and micro failure mechanism of Mg-Li-Zn-Y alloys strengthened by Mg3Zn6Y quasi-crystalline (I-phase) particles and establish the relationship between fatigue properties and microstructure under cylic loading condition. The emphases are to investigate the influence of the quantity, size, morphology and distribution characteristics of I-phase particles on the fatigue strength; to research the activation and evolution of micro deformation mechanisms occurred in the alpha-Mg and beta-Li matrix phases during the fatigue process; to explore the relationships between the initiation and propagation of fatigue cracks and the localized incompatible cylically plastic deformation at phase interfaces (I-phase/alpha-Mg, I-phase/beta-Li, alpha-Mg/beta-Li and etc), micro deformation mechanisms (cyclic slips and/or activated twins) occurred in matrix phases and micro defects; to determine competitive micro mechanisms for causing the fatigue crack initiation and the preferential propagation routes for fatigue cracks; to explore the effective processing procedures for remarkably enhancing the fatigue resistance of alloys; to provide theoretical and experimental bases for ensuring the safe applications of high performance Mg-Li alloys in the engineering fields.

本项目将材料-力学-物理等不同学科相结合，研究Mg3Zn6Y准晶强化双相Mg-Li-Zn-Y合金在循环加载条件下的高周疲劳行为及其微观失效机制，建立疲劳性能与微结构之间的内在关联，着重探讨准晶颗粒的数量、尺寸、形貌和分布情况等对合金疲劳强度的影响程度，研究疲劳过程中alpha-Mg和beta-Li基体相内微观变形机制的启动和演变规律，揭示疲劳裂纹萌生和扩展与相界面（准晶/alpha-Mg、准晶/beta-Li和alpha-Mg/beta-Li等）位置处存在的局部循环塑性变形不协调性、基体相内部的微观变形机制（循环滑移和/或孪晶启动）、微缺陷等之间的内在关联，确定出诱发疲劳裂纹萌生的竞争性微观机制和疲劳裂纹扩展的择优路径，探寻可显著提高合金抗疲劳性能的加工处理制度，为高性能镁锂合金在工程领域中的安全应用提供理论和实验基础。

准晶在镁锂合金中的原位自形成显著提高了合金的力学性能，突破了传统镁锂合金绝对工程强度低的瓶颈性约束，极大提升了超轻准晶强化镁锂合金在航天航空和国防军工等工程应用领域中的竞争力。为确保高性能准晶强化双相Mg-Li-Zn-Y合金能够在航空航天和国防军工等领域中得到安全应用，并获得可有效提高合金抗疲劳性能的合金化、变形加工和热处理等方法，我们开展了以下研究内容：1）合金中准晶相的存在特征及微结构表征；2）机械大变形工艺和热处理制度对微结构的影响；3）微结构对合金疲劳行为的影响；4）可提高合金抗疲劳性能的方法和途径相关工艺性探讨。. 结果表明，双相Mg-8Li合金中β-Li相的晶粒尺寸为40微米，而α-Mg相的晶粒尺寸为110微米。对于双相Mg-8Li-10Zn-Y合金而言，准晶的形成可使α-Mg相的晶粒尺寸减小至35微米，而β-Li相的晶粒尺寸却增加至60微米，有效促进了β-Li相的形成。对比发现，Mg-8Li-10Zn-Y合金的屈服和抗拉强度均强于Mg-8Li合金。原位力学实验表明，Mg-8Li合金的塑性变形主要依赖于α-Mg基体中的位错滑移。当应变量超过18%时，微裂纹将会择优在α-Mg/β-Li界面处萌生。相比而言，准晶相的形成有效提高了Mg-8Li-10Zn-Y合金的抗塑性变形的能力。当应变量达到24%时，在α-Mg和β-Li基体相内也未观察到明显的滑移带。然而，Mg-8Li-10Zn-Y合金中准晶相处会因位错塞积而产生应力集中，导致微裂纹择优萌生于在准晶相与基体相界面处。疲劳性能对比表明，Mg-8Li和Mg-8Li-10Zn-Y合金在1×106循环周次下对应的疲劳强度分别为35MPa和65MPa，证明准晶相的形成可显著提升镁锂合金的抗疲劳能力。通过研究和对比双相镁锂合金在不同应力幅值循环加载与腐蚀介质交互作用条件下的疲劳行为，发现高应力幅（60MPa和70MPa）条件下疲劳裂纹萌生与微观变形机制有关，而低应力幅（40MPa）条件下疲劳裂纹择优在腐蚀坑处萌生。该项目的研究成果为镁锂合金在疲劳安全设计与分析、疲劳寿命预测及抗疲劳性能提高方法等方面提供了依据，所制定的合金化、塑性加工变形和热处理制度可为将来高使役性能镁锂合金的研制提供指导，有力提升了镁锂合金的工程应用竞争力。