镁中三维孪晶相互作用的微观机理研究

Twinning is a major mode of plastic deformation in magnesium (Mg) and magnesium alloys, however, mechanism of three-dimensional twin-twin interactions and its quantitative effects on mechanical properties of Mg remain unclear. To deepen the understanding of deformation mechanisms related to three-dimensional twinning, the mechanism of three-dimensional twin-twin interactions will be revealed from three aspects by combing atomistic simulations and theoretical analysis in this project: Calculate the formation energies and detailed atomic structures of different types of twin-twin boundaries (TTBs) to identify the dominant TTB, which will be paid particular attention to in later calculations; Investigate the details of twin-twin interactions by applying external load to twin variants and comprehensively analyze the behavior of twinning dislocations and twin variants during the twin-twin interactions according to their crystal orientation relationship, atomic configurations and changes in the localized stress field, which will establish the relationship between the mechanism of dislocation-TTB interactions and their effets on localized stress field; Calculate the critical resolved stress needed to move a twinning dislocation around different TTBs to obtain the hardening rule caused by TTBs. Further, a mesoscale model will be proposed to calculate the back stress regarding twin-twin interactions based on those mechanisms, which will be used to improve the predictive capability of crystal plasticity models in predicting the mechanical properties and microstructure evolution of Mg under strain path change and cyclic loading.

孪生变形是镁及其合金的重要塑性变形机制，然而变形镁合金中的三维孪晶相互作用的微观机制及其对力学性能的影响规律尚不清楚。为深化对镁合金中三维孪生变形机理的认识，本项目拟采用原子模拟计算与晶体缺陷理论分析相结合的方法从三方面揭示三维孪晶相互作用的微观机制：通过计算不同类型孪晶-孪晶界面(TTB)的界面形成能和界面微观结构，确定孪晶相互作用中起主导作用的TTB类型；计算两个孪晶在外加载荷条件下的作用过程，从晶体取向关系、微观原子构型、局部应力变化三方面系统地分析孪晶相互作用过程中的位错和孪晶的行为，及其对应的局部应力场变化，获得不同类型TTB界面和位错作用的微观机制与对应局部应力场的关系；计算TTB通过阻碍位错运动引起材料硬化的规律。在此基础上，提炼建立孪晶相互作用的介观尺度背应力计算模型，用于完善预测镁合金在变应变路径和循环加载下的力学行为和微观结构演化的晶体塑性模型。

孪生变形是镁及其合金的重要塑性变形机制，然而变形镁合金中的三维孪晶相互作用的微观机制及其对力学性能的影响规律尚不清楚。本项目主要研究内容包括两方面：1) 在前人研究基础上，归纳提炼出了采用分子动力学模拟计算的不同类型孪晶-孪晶界面(TTB)的界面形成能和界面微观结构，以及不同孪晶变体相互作用的微观机制。根据不同孪晶变体的相对位向关系，TTB分为三类，即与原孪晶面平行、成钝角、成锐角的TTBI，TTBo和TTBA，不同位向关系TTB的形成能见报告中的表2。加载过程中的相互作用微观机理包括：入射孪晶增厚；TTBI变宽，TTB处应力集中，可能通过原孪晶中的位错滑移、二次孪晶，以及界面发射失配位错释放。卸载过程中可能发生退孪生、二次孪生。具体微观过程如孪晶变体选择、位错滑移系统选择则由局部应力场决定。.2) 开展了镁及镁合金中孪晶相互作用及其对力学行为影响的多尺度模拟研究，为实现塑性变形耦合了孪生变形与位错滑移的密排六方结构金属的孪晶演化及力学相应的准确模拟打下了良好基础。包括四部分内容：①镁晶体变形的晶体塑性有限元与相场耦合模型的建立；②孪晶演化及相互作用的介观尺度模型开发；③三维孪晶形貌演化的介观模拟；④孪晶相互作用对局部应力场影响的模拟和实验研究。这部分基础研究的模拟工作可以再现实验中单晶、双晶镁中的单个孪晶变体的形貌演化，单向加载过程中的应力应变曲线，并且通过模拟的孪晶形貌演化和局部应力场计算，解释了实验中观察到的三维孪晶形貌、孪晶相互作用激发二次孪晶变体选择等问题。尤其是基于第一部分的微观机理建立的多孪晶变体相互作用的初步框架，可进一步发展完善用于预测镁合金在变应变路径和循环加载下的力学行为和微观结构演化。这些结果有望进一步用于模拟预测材料动态力学行为，因为动态高应变率加载条件下孪生变形模式及变体更加丰富，孪晶相互作用和位错滑移的耦合作用对材料力学性能的影响更加显著。