有序孪生和溶质偏聚调控可时效强化变形Mg-Sn-Zn(-Al)合金组织性能的研究

The present project proposes a novel method to strengthen magnesium alloys with less ductility compromise, which coordinates heat treatment with plastic deformation. Abundant twin boundaries (TBs) due to sequential twinning can be introduced into age-hardenable Mg-Sn-Zn(-Al) wrought alloys through plastic deformations performed sequentially along multi-directions, among which heat treatments are adopted to activate solute segregation at TBs, and thereby changing the initial stage of precipitation. A fundamental question remains to be clarified, i.e., how solute segregation at TBs affects sequential twinning and precipitation processes. To find the answer, electron microscopy techniques including electron back-scattered diffraction and electron diffraction as well as theories of crystallography and micromechanics are employed to accurately identify twin/precipitate type, variant, distribution and the patterns of twin-twin and precipitate-twin interactions. These will build a solid foundation for discovering how sequential twinning and precipitation are affected by alloying elements and technical parameters of plastic deformations and heat treatments. Tensile and compressive mechanical properties of the alloys will be measured to establish their relationship with sequential twinning and solute segregation. These results will provide practical ideas on interface engineering in Mg alloys for enhanced strength and ductility.

本项目提出一种通过变形加热处理来强韧化镁合金的新思路，以可时效强化变形Mg-Sn-Zn(-Al)合金为研究对象，通过多向多道次小应变量变形在合金中有序地引入大量形变孪晶界（即有序孪生过程），在变形道次间和变形结束后进行热处理以促进溶质孪晶界偏聚从而稳定孪晶界并改变溶质析出的初始阶段。上述过程中待解决的基础问题是：溶质孪晶界偏聚对有序孪生和溶质析出过程的影响。为此，本项目采用电子背散射衍射和电子衍射等方法结合晶体学和细观力学理论，精确测定孪晶/析出相的种类、形貌、变体、分布、孪晶-孪晶以及析出相-孪晶相互作用的方式，探明合金成分、变形和热处理工艺条件对有序孪生和溶质析出过程的影响。测量合金的拉伸和压缩力学性能，进而建立有序孪生和溶质偏聚影响力学性能的关系。研究结果将为提高镁合金强韧性的界面工程提供设计思路和理论指导。

研究揭示了应变协调对Mg中双拉伸孪晶变体选择的重要作用。通常Schmid因子越大则变形系统启动的可能性越高，这个规律称为SF法则。当应变路径从镁合金轧板的轧制方向变为其横向后，材料中生成了大量双拉伸孪晶。有12.7%的二次拉伸孪晶具有低SF值，这些低SF孪晶的形成违背了SF法则。研究发现，它们的孪生切变可以通过周围晶体中易启动的变形模式来协调，使得孪晶与周围晶体更容易协调变形，减少体系内部应变能的升高。这些易启动的变形模式包括基面滑移、柱面滑移和拉伸孪生，周围晶体根据具体的物理环境可能是基体晶粒、近邻晶粒或者近邻晶粒中的某个一次拉伸孪晶。其中，最常出现的协调模式是在镁合金中临界分切应力最低的基面滑移。针对应变协调因子与穿晶应变量之间关系不明确的问题，建立模型揭示了它们之间的关系，进一步揭示了应变协调因子的物理意义。建模计算发现协调孪生切变的应变量与应变协调因子成正比。连续双向变形在Mg中激发大量一次拉伸孪晶和双拉伸孪晶，晶间和晶内都出现丰富的孪晶间相互作用，这些孪晶在界面（晶界或孪晶界）处交汇形成独具特色的复合孪晶结构：晶间和晶内复合孪晶结构。复合孪晶结构形成条件具有的多样性，形成机理可分为相关形核和独立形核2大类。提出了用取向差角组描述晶内复合孪晶结构的方法，通过理论计算得到共有13种可能的结构。EBSD统计分析发现其中的一种结构显著择优出现，通过对SF的理论计算发现SF法则不能对这个现象进行完全解释。以可时效强化Mg-Sn基合金中的主要析出相Mg2Sn为研究对象，研究了它与镁基体之间晶格匹配所具有的“列匹配”特征，对深入认识固态相变具有普遍意义。研发了适合轧制成形的新型变形Mg-Sn基合金，它们具有较好的综合力学性能和较好的成形性能。