镁合金中孪生的晶粒尺寸效应及屈服机制转变研究

孪生作为塑性变形的两种晶体学机制之一，长期受到关注。多晶和微小尺度单晶体中屈服变形表现出相同的规律：①孪生流变应力表现出类Hall-Petch幂律关系的(晶粒/单晶)尺寸效应；②在一个临界(晶粒/单晶)尺寸，屈服机制发生从孪生到位错滑移的机制转变。本申请借鉴微小尺度单晶中成功的"受激滑移"孪生机理模型，针对孪生过程中相邻孪生面梯次协同滑移的集群特征，引入与位错滑移相比对晶体尺寸敏感性倍增的机制，建立多晶体孪生机理模型，阐明多晶体中孪生的Hall-Petch关系斜率远大于位错滑移的Hall-Petch关系斜率的内在本质；通过分析晶粒细化对孪生的抑制和对锥面c+a滑移的促进，阐明屈服变形在一定的临界(晶粒/单晶)尺寸发生孪生-滑移转变的机理，建立模型；为单晶和多晶体中孪生-滑移转变研究提供范例，为镁合金等工程材料的性能控制提供理论基础。

孪生作为塑性变形的两种晶体学机制之一，长期受到关注。本项目的工作主要体现在四个方面：.1）借鉴微小尺度单晶中成功的“受激滑移”孪生模型和基于位错源几何特征的随机统计模型，针对孪生过程中多原子面协同滑移的集群特征，引入最小可稳定孪晶核心的原子面层数(孪晶核心体积)这一关键参数，形成了与普通位错滑移相比对晶体尺寸敏感性倍增的机制，建立了多晶体孪生模型，阐明了多晶体中孪生的Hall-Petch关系斜率远大于普通位错滑移的Hall-Petch关系斜率的内在本质。.2） 在经典单机制变形Hall-Petch关系的基础上，提出了取决于晶体取向和晶粒尺寸两个因素的有效取向因子概念及其计算方程，建立了基面、柱面、锥面滑移系和孪生多机制变形的Hall-Petch关系模型；解析分离了织构的几何强化作用，获得了与取向无关的Hall-Petch关系；屈服强度与晶粒尺寸之间的本征关系仍然是类Hall-Petch的关系, 其斜率与晶粒尺寸的平方根倒数成线性关系。.3）通过实验研究了晶粒细化对孪生的抑制和对锥面c+a滑移的促进作用，阐明了hcp结构的钛中孪生—<c+a>滑移转变的关系。.4）对制备超细晶/纳米晶材料的新方法，进行了探索和发展。从原理提出、应变解析直至设备设计制造和实验验证，成功研发出一种全新的剧烈塑性变形组织超细化新方法----管状材料高压剪切变形（tube High Pressure Shearing, 简称t-HPS）。