镁合金孪生模式的能量判据研究

确定孪生模式激活的临界条件是孪生理论的核心问题之一。目前常用的孪生应力判据建立在位错分解成层错基础上，但低温下位错芯三维结构难以分解，在理论上存在缺陷；而最小切变假设只考虑晶格结构，忽略了堆垛层错能作用。本课题组综合考虑应力与应变，提出孪生能量的概念，用以作为激活孪生模式的判据。通过研究 Mg-12Gd-3Y-0.5Zr合金在不同温度下的孪生特点，确定孪生应力激活特点。在此基础上，根据经典形核理论及Eshelby夹杂，推导出孪生过程中的相关能量；在热力学及相变动力学分析条件下，导出孪生能量本构模型；据此分析孪生能量与堆垛层错能、晶格结构(c/a)的三维关系。并用于解释Mg-12Gd-3Y-0.5Zr合金的孪生特点。本项目有助于推动对孪生形核的认识，从能量角度解决镁合金孪生模式问题。

孪生是金属材料重要的塑性变形机制之一，对其强度和塑性具有重要的作用，确定孪生模式激活的临界条件是孪生理论的核心问题之一。本项目以镁合金为研究对象，了解孪生行为及其对力学性能的影响，分析孪生能量本构模型，并采用分子动力学确定堆垛层错能。主要有以下研究结果：(1)对不同晶粒尺寸试样，在不同温度及应变率条件下进行静态拉压实验。当温度降低（晶粒尺寸或应变速率增加），塑性变形由滑移主导的变形方式向孪生主导过渡；变形机制的转变导致了Hall-Petch关系斜率的变化；采用Zener-Hollomom参量描述温度、应变率对孪生的综合影响，结果表明随着Z参量的变大，孪生发生率将会随之增大；当晶粒尺寸大于36.6μm并且 lnZ＞71.78时，变形机制发生转变。并且拉伸/压缩屈服不对称源于变形产生的孪晶面积分数的不同。孪晶面积还影响材料的加工硬化性能。在硬化第二阶段存在动态回复，当晶粒尺寸变小、温度上升时，应变硬化率上升，孪晶在此条件下难以开动是导致该结果的主要原因。(2) 目前常用的孪生应力判据建立在位错分解成层错基础上，但低温下位错芯三维结构难以分解，在理论上存在缺陷；而最小切变假设只考虑晶格结构，忽略了堆垛层错能作用。本项目综合考虑应力与应变，提出孪生能量的概念，用以作为激活孪生模式的判据。在确定孪生应力激活特点基础上，根据经典形核理论及Eshelby夹杂，推导出孪生过程中的相关能量；在热力学及相变动力学分析条件下，导出孪生能量本构方程Q=3σ/2y,其中σ与堆垛层错能有关，而y与晶格常数有关 据此分析孪生能量与堆垛层错能、晶格结构(c/a)的三维关系，并解释了镁合金合金的孪生特点，同时可以解释面心立方金属孪生特点。(3)使用密度泛函平面波超软赝势方法优化了金属Mg、Y的结构并计算了堆垛层错能。在文献中给出的Mg、Gd和Y的原子间势函数基础上，建立了Mg-Gd和Mg-Y合金体系的修正嵌入原子势函数模型。利用几种Mg-Gd和Mg-Y金属间化合物的结构和性质数据拟合得到了合金势函数参数。初步计算了不同成份下HCP结构的Mg-Gd和Mg-Y合金的层错能。本项目有助于推动对孪生形核的认识，从能量角度解决镁合金孪生模式问题。