块体纳米晶镁合金的微观组织、力学性能及其机理研究

In this project, bulk nanocrystalline Mg and Mg alloys will be achieved by using spark plasma sintering (SPS) based on our patent technology of preparing nanocrystalline Mg and Mg alloys powders with micro-nano binary structure. The influence of various SPS parameters on the densification and grain growth of the nanocrystalline Mg and Mg alloys powder will be investigated by founding the master sintering curve. In order to study the relationship among the mechanical properties, the strain hardening rate and the strain rate the tensile and compression testing will be applied to the bulk nanocrystalline Mg and Mg alloys with grain sizes from 10 nm to 1000nm. Moreover, not only the generation, evolution and interaction of crystalline defects such as dislocations, twins and grain boundaries, et al, during the course of tensile/ compression testing, but also the effect of the above defects on the strain hardening principle of bulk nanocrystalline Mg and Mg alloys will be investigated, so as to illuminate the quantitative relation between the microstructure and mechanical properties of bulk nanocrystalline Mg and Mg alloys. As a result, the toughening mechanism and surface toughening theorem of bulk nanocrystalline Mg and Mg alloys will be discussed. Based on the above investigations, we plan to explore a new and effective technique to prepare Mg alloys with high performances.

本项目提出在氢化脱氢法制备晶粒尺寸约10nm的微纳二元结构镁合金粉末的专利技术基础上，利用放电等离子快速烧结技术，通过建立纳米晶镁合金等离子活化烧结过程的主烧结曲线，研究等离子活化烧结过程中纳米晶镁合金粉末的致密化与晶粒长大机制，获得10 -1000纳米之间的不同晶粒尺寸和多尺度混合晶粒的纳米晶镁及镁合金块体材料。对不同微观组织的纳米晶镁合金块体材料进行拉伸/压缩试验，分析并表征力学性能、应变硬化率等及其随应变速率的变化规律。同时研究并表征拉伸/压缩过程中晶体缺陷如位错、孪晶、晶界等的产生、演化与交互作用，及其对纳米晶镁合金应变硬化规律的影响，阐明纳米晶镁合金组织结构和力学性能之间的定量关系；探讨纳米尺度下镁合金的强韧化机制，建立纳米晶镁合金界面强韧化理论。为开发高性能镁合金材料提供理论基础及实验数据。

采用优化的氢化脱氢技术制备了晶粒尺寸约15nm的具有超热稳定性的纳米晶纯镁和AZ91合金粉体材料，结合放电等离子体烧结以及热挤压技术，获得尺寸为φ10×320 mm的纳米晶纯镁棒材。分析了不同挤压温度、不同形变温度以及不同应变速率对纳米晶纯镁材料力学性能的影响，其室温拉伸强度和屈服强度分别达到328MPa和259 MPa。. 对所获得的纳米晶粉体以及块体材料进行了高温长时间退火热处理以及球磨、等径角挤压等剧烈塑性变形处理，结果表明纳米晶纯镁材料在550℃高温下处理20h，或者球磨处理9h，亦或是在400℃下八道次等径角挤压处理后晶粒都没有发生明显长大，这主要是因为氢化脱氢是一个高温下的平衡反应过程，而在此过程中形成的纳米晶界比在大塑性变形等非平衡过程中形成的晶界内的原子有序度高，因而晶界稳定性也更高。. 此外，通过160°通道角等径角挤压技术制备了高位错密度的AZ61合金，其位错密度值达32.5×1014 m-2。经电脉冲处理后，获得完全再结晶组织，其平均晶粒尺寸约700nm，同时其最大基面织构强度弱化为3.85，其屈服强度、抗拉强度和伸长率分别达到了330 MPa、448MPa和15.5%。. 综合现有的结果，15纳米晶粒尺寸的材料性能远低于亚微米晶材料，应该存在一个临界晶粒尺寸，大于临界尺寸时，呈现正Hall-Petch关系，屈服强度随晶粒尺寸的减小而增加；小于临界尺寸时，呈现反Hall-Petch关系，屈服强度随晶粒尺寸的减小而减小。但由于尚未实现晶粒尺寸的可控制备，无法确定临界晶粒尺寸的数值，这也是接下来需要努力的方向。