超轻双相镁锂合金超声纳米表面改性的变形机制及强韧化机制研究

Magnesium-lithium (Mg-Li) alloys, as the lightest structural metallic materials, have a broad application prospect. However, the widespread application of Mg alloys is still challenging due to their poor strength and toughness. In this proposal, a duplex (α+β) Mg-Li alloy treated with ultrasonic nanocrystal surface modification (UNSM) technique is proposed to construct a gradient nanostructured layer with ‘nano-grains and coarse grains’ characteristics. On the basis of the synergistic deformation of the α phase and β phase, combing with the coordination deformation of the nano-grains and coarse grains to effectively improve the strength and toughness of the alloy. We try to make efforts in the following three aspects: firstly, a thicker gradient nanostructured layer will be constructed on the alloy surface by optimizing the UNSM process parameters. Secondly, the microstructure evolutions of α phase and β phase in duplex Mg-Li alloy will be investigated by using SEM, TEM, and EBSD techniques, and then the formation mechanism of gradient nanostructured layer will be studied and elucidated. Finally, the texture evolution and strain evolution of the alloy during unidirectional tension are taken as compass, combing with the method of numerical simulation to clarify the synergistic deformation mechanisms of α phase and β phase, nano-grains and coarse grains of the duplex Mg-Li alloy with gradient nanostructure during deformation. And thus, the strengthening and toughening mechanisms of the duplex Mg-Li alloy treated with UNSM will be deeply understood.

镁锂(Mg-Li)合金作为迄今为止最轻的金属结构材料具有广阔的应用前景。然而，强韧性不足限制了Mg-Li合金的应用推广。本项目拟通过对双相(α+β)Mg-Li合金进行超声纳米表面改性，构筑具有“纳米晶-粗晶”特征的梯度纳米结构层。在利用α相与β相协同变形的基础上，兼有纳米晶与粗晶的协调变形，以期有效地提高合金的强韧性。本项目拟从以下三个方面开展研究：首先通过优化超声纳米表面改性工艺在合金表面构筑较厚的梯度纳米结构；然后利用SEM、EBSD、TEM等技术表征双相Mg-Li合金中α相与β相的显微结构演化，研究并阐明其梯度纳米结构的形成机理；最后以单向拉伸变形过程中合金的织构演化和应变演化为指针，结合数值模拟的方法，阐明具有梯度纳米结构的双相Mg-Li合金中α相与β相、纳米晶与粗晶在变形过程中的协同变形机制及其强韧化机制。

镁锂(Mg-Li)合金作为迄今为止最轻的金属结构材料具有广阔的应用前景。然而，强韧性不足限制了Mg-Li合金的应用推广。本项目首先对比研究具有不同相结构的Mg-Li合金的显微组织和力学性能，验证了双相Mg-Li合金具有最优的综合力学性能。然后以双相Mg-Li合金为研究对象，利用超声纳米表面改性(UNSM)技术对其进行表面处理，构筑梯度纳米结构层。通过优化工艺参数，实现了合金的强度和塑性的同步提高。结果表明：双相Mg-Li合金基体良好的综合力学性能主要归因于α相与β相的协同变形机制；通过正交试验分析得出了UNSM工艺参数对Mg-Li合金综合强化效果影响程度由大到小的顺序为：静压力、间距和移动速度，其最优工艺组合为：静压力0.3MPa，间距0.05mm，移动速度1500mm/min；利用该工艺对双相Mg-Li合金进行表面改性，在Mg-Li合金表面形成了~350μm的硬化层，实现了强度和塑性的同步提高，这主要归因于在α相与β相的协同变形基础上，兼有纳米晶与粗晶的协调变形。我们还利用UNSM技术对LZ91Mg-Li合金的力学性能和耐腐蚀性能进行了研究，发现该技术在提高合金强塑性的同时还能实现耐腐蚀性能的提高。此外，我们还利用UNSM技术对其他非Mg-Li合金比如304不锈钢、316不锈钢、DZ2高铁车轴钢及高熵合金等金属材料上进行了研究，成功验证了该技术在不同金属材料表面构筑梯度纳米结构的可行性以及通过合理的工艺参数优化可以实现强塑性甚至是耐腐蚀性能的同步提升，该技术的适应性好，具有广阔的应用前景。