基于溶质富集新型位错组态的镁合金强韧化机制研究

The applications of Mg alloys are limited due to their low strength and low ductility. Since there are five independent slip systems with <a+c> dislocations, which have a strong pinning effect on the motion of <a> dislocations, the formation of well-organized <a+c> dislocation patterns is estimated to be advanced structural units that can effectively enhance the strengthening and toughening properties in Mg alloys. In our previous work, we have introduced Gd-segregated dislocation patterns in extruded Mg-Gd alloys. In order to systematically study the effect of these newly-found Gd-segregated dislocation patterns on mechanical properties, extruded Mg-Gd alloys with different Gd additions at different heat-treated conditions are designed. With the help of high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM), the formation and evolution mechanisms of these Gd-segregated dislocation patterns will be elucidated. Through combining tensile tests and corresponding microstructure characterization, the proposal aims to clarify the effect of Gd-segregated dislocation patterns on strengthening and toughening mechanisms in Mg-Gd alloys, and then establish corresponding dislocation models for designing new advanced Mg alloys in future.

镁合金被誉为“21世纪绿色工程材料”，但其强度低、塑性差等基础性问题限制了它的应用范围。通过位错理论分析可知，如果能在镁合金中引入由稳定的<a+c>位错结构组成的位错组态，将有望形成一种能同时提高镁合金强度与塑性的新型强韧化结构单元。基于申请人前期在Mg-Gd合金中发现的位错芯区域Gd原子富集新型<a+c>位错组态强韧化结构单元的实验结果，本申请项目将采用性能测试与高分辨透射电镜表征相结合的方法，系统研究不同成分和不同热处理状态下变形Mg-Gd合金中Gd原子富集状态对新型<a+c>位错组态的形成、生长和演化规律影响的微观机制，在优化Mg-Gd合金力学性能的同时建立相应的溶质原子富集新型位错组态模型，并总结其对镁合金强韧化性能的影响规律。上述研究不仅能拓展和丰富镁合金中位错理论的研究，还将为设计与开发新型高性能镁合金提供理论指导。

镁合金作为最轻的金属结构材料，被誉为“21世纪绿色工程材料”，但其强度低、塑性差等基础性问题限制了它的应用范围。长期以来，研究人员通过添加不同合金元素，改变热处理及变形工艺等方式对镁合金中的强韧化机制进行了大量的研究，并致力于寻找到能同时提高镁合金强度与塑性的结构单元。通过位错理论分析可知，在镁合金中引入由稳定的<a+c>位错结构组成的位错组态，将有望形成一种能同时提高镁合金强度与塑性的新型强韧化结构单元。本项目从镁合金微观组织设计和制备的角度出发，通过成分和热加工工艺优化，总结了不同富Gd结构单元的形成条件及其对改善镁合金强韧化的影响规律，并重点研究了富Gd新型位错组态对Mg-Gd系合金力学性能的影响规律。通过位错组态模型分析可知，由于这种稳定存在的位错组态垂直于基面<a>位错，因此能够很好地阻碍基面<a>位错的滑移，从而提高镁合金的室温屈服强度。而非基面<c>和<a+c>位错与该位错组态中的位错平行，通过该位错组态时所受滑移阻力相对较小，因此在该位错组态周围比基面<a>位错更容易被激活。在反挤压Mg-Gd合金变形后的微观组织实验观察中发现大量非基面<c>和<a+c>位错的激活也论证了此类新型位错组态的出现能有效改善镁合金的室温塑性。上述研究不仅能拓展和丰富镁合金中位错理论的研究，还将为设计与开发新型高性能稀土镁合金提供理论指导。