高能超快激光冲击力学效应下镁合金梯度纳米结构的形成机制

To solve the challenge of strength‒ductility inversion of metallic material, the formation mechanism of the gradient nanostructure in the surface layer of bulk magnesium alloy subjected to the mechanical effect of high‒energy and ultra‒fast laser shock peening (LSP) is investigated in the present proposal. The following issues will be focused: .The first is to investigate the microstructure features and spatial distribution of the gradient nanostructure induced by LSP, and then reveal the mechanical response mechanism. The second is to develop the correlations between the plastic strain, strain rate and thickness, morphology and grain size of the gradient nanostructure in the surface layer, set up the strength‒ductility synergy model of the gradient nanostructure of magnesium alloy as functions of strain rate. The third is to investigate the mechanics effect on dynamic grain evolution of magnesium alloy, develop the recrystallization process caused by the collision between atoms, and reveal the in situ nanocrystallization mechanism of magnesium alloy subjected to LSP. The last is to explore the correlations between deformation energy, microstructure and macro-properties of magnesium alloy subjected to LSP, and then reveal the corresponding formation mechanism of the gradient nanostructure. As a result, the gradient nanostructure induced by LSP can be precisely controlled..The above research involves many new scientific issues, and these research achievements can not only enrich and develop the surface modification theory and technology of hexagonal close-packed (HCP) metals and alloys, and provide the scientific basis for the large-scale industrial application of magnesium alloy subjected to LSP.

针对金属材料的强度–塑性“倒置”难题，本项目以镁合金为研究对象，首次提出采用激光冲击波诱导表层梯度纳米结构的方法，开展高能超快激光冲击镁合金梯度纳米结构的形成机制研究，主要包括：⑴ 研究激光冲击制备表层梯度纳米结构中特征微结构及空间分布，揭示其力学响应机制；⑵ 探索塑性应变、应变速率与表层梯度纳米结构厚度、晶粒形貌与尺寸的关联性，建立以应变速率为参数的梯度纳米结构镁合金的强度–塑性匹配模型；⑶ 研究力学效应下镁合金动态晶粒演变过程，探索超高应变速率下原子间碰撞产生的再结晶过程，揭示激光冲击镁合金的原位纳米化机制；⑷ 探索激光冲击镁合金的形变能量–微观结构–宏观性能的关联，深刻揭示梯度纳米结构的形成机制，从而实现激光冲击梯度纳米结构的精确控制。相关内容涉及众多全新科学问题，研究成果可以丰富和发展HCP结构金属和合金表面改性理论和技术，为激光冲击强化镁合金结构件的大规模工业应用提供科学依据。

针对金属材料的强度-塑性“倒置”难题，首次提出采用激光冲击波诱导表层梯度纳米结构的方法，开展高能超快激光冲击金属材料梯度纳米结构的形成机制研究。主要取得了以下进展：① 研究了激光冲击强化和激光冲击-超声滚压复合工艺对AZ91D镁合金残余应力、表面粗糙度、微观组织和拉升性能的影响规律，揭示了激光冲击强化和激光冲击-超声滚压复合工艺对AZ91D镁合金拉升性能的提升机理；② 研究了激光冲击强化马氏体不锈钢碳化物塑性变形行为，揭示了双相梯度纳米结构形成机制，研究结果表明：激光冲击强化使马氏体不锈钢的钝化电流密度降低了69.7~98.1%、汽蚀累积质量损失降低了~25.3%；③ 提取航空复杂构件的曲面特征，研究激光冲击强化不同的曲面特征及不同的曲率下的残余压应力的分布特征，提出了随表面曲率变化的残余压应力分布的数学模型，有效预测了激光冲击强化在曲面诱导的残余压应力分布规律；④首次揭示了多层激光冲击强化处理α+β TC4双相钛合金α/β界面结合方式及HCP结构位错组态演变规律，揭示了应变率及激光冲击强化对TC4应变强化作用的强化机理；⑤ 层间激光冲击波力学效应有效阻碍了柱状晶的外延生长，等轴晶和短的柱状晶沿沉积方向交替分布，极限抗拉强度和延伸率分别提高了20.8%和60.4%，实现强度和塑性的同步提升。.在项目执行期内，圆满完成计划任务书的各项任务。研究成果获2020年浙江省科学技术进步奖二等奖1项，主要研究成果发表论文10篇，其中SCI收录9篇，EI收录1篇(不含SCI收录)。获美国授权发明专利5件、中国授权发明专利3件。参加国际/国内会议交流13次(17人次)，作邀请报告6次。研究执行期内，项目组获省级人才项目3人次。项目培养博士研究生2名、硕士研究生5名，获江苏省优秀博士论文1篇。