基于原位高分辨透射电镜的Mg-Gd系合金时效析出行为及其强化机制研究

The effect of aging hardening is remarkable in Mg-RE alloys (Mg alloys containing rare earth elements), which can improve the strength significantly at room temperature and high temperature simultaneously. Mg-Gd system alloy is a typical precipitation hardening Mg-RE alloy, which is drastically strengthened by precipitations. However, it is still need better understandings of the procedure and the mechanism of precipitating due to the lacking of experimental evidences. The fundamental theory is very week when people try to develop new Mg alloys. In this project, two in-situ TEM experiments are proposed to investigate the procedure and the mechanism of precipitating in Mg-Gd alloys. The in situ heating experiment is aimed to reveal the microstructure of precipitations in each stage of aging treatment. The nucleation, growth, and transformation of precipitation is proposed to be observed directly, which provides a systematical understanding of precipitation procedure. Moreover, the in situ tensile TEM characterization is proposed to be carried out to observe the interaction between dislocations and precipitations, which helps people know better about the fundamental mechanism of aging hardening. This project is important for proposing and establishing new aging strength theories, and is very promising to obtain useful evidence and guidance to develop new precipitation hardening Mg alloys.

稀土镁合金的时效强化效果明显，时效析出可有效的提高合金的室温和高温强度。Mg-Gd系合金是一种以析出强化为主要强化机制的稀土镁合金，但是，目前对Mg-Gd系稀土镁合金的析出过程和强化机理还没有完全理清，人们对时效相的形成和强化机理的理解还不够深入，在开发合金材料时面临理论依据缺乏的困境。本项目以Mg-Gd系合金为研究对象，通过原子级超高分辨透射电镜原位加热和拉伸实验，获得该合金析出相在加热过程中的形核、长大、转化的规律，以及变形过程中析出相与位错的交互作用情况。原位加热实验重点解决Mg-Gd系合金在时效热处理过程中各阶段的析出相结构，以及各析出相在时效过程中是如何转换的问题；原位拉伸实验直接观察位错与析出相是如何交互作用的，从根本上获得析出相对力学性能提高的机理性解释，推进镁合金时效强化理论的发展，为新型析出强化镁合金的设计指明方向。

稀土镁合金的时效强化效果明显，时效析出可有效的提高镁合金的室温和高温强度。Mg-Gd系合金是一种以时效析出强化为主要强化机制的镁合金，但是对Mg-Gd系稀土镁合金的析出过程和强化机理还没有完全理清，时效相的形成与强化机理，尤其是位错与时效析出相的相互作用等问题理解还不够深入，缺乏相关实验的证据。因此本项目以Mg-Gd系合金为主要研究对象，通过先进电子显微学表征技术结合Z衬度像分析技术，通过建模和模拟，获得了以下结果：① 确定Mg-Gd-Y-Ag合金中的基面析出相γ"为六方结构，其晶格常数为a=0.55nm，c=0.42nm，与Mg基体的取向关系为(0001)γ′′//(0001)Mg，<-2110>γ′′//<10-10>Mg。② 发现了Mg-Gd-Y-Ag-Zr合金中的界面析出相，解析了其准确的晶体结构为底心单斜结构(β=139.1°)，晶格常数a=1.20nm, b=1.04nm, 和c=1.59nm，化学式为Mg4GdAg3，空间群为C2/m，与基体的取向关系为：[101]//[11-20]α, [302]//[10-10]α和(010)//(0001)α。此外还发现晶界析出相的热稳定性远高于晶内析出相结构，由此提出了利用晶界析出相强化镁合金的制备技术。由于材料较低的晶内析出相密度，强化合金的同时不必牺牲材料的塑性，这是一种实现镁合金强韧化并兼具耐热性能的新思路。③ 研究发现Mg-Gd合金中位错与柱面析出相βʹ的相互作用是位错切过βʹ相，而不是传统认知的位错绕过βʹ相。通过HAADF-STEM的精确表征，获得了位错切过析出相后的原子机制，并分别构建了<a>位错和<c+a>位错与析出相作用的原子模型。这一发现对材料的强塑性的研究和材料的设计和制备具有指导意义。④ 提出了小变形量制备纳米晶镁合金的方法，并探索了其相关的形成机理。研究发现通过冷轧变形和低温短时退火获得纳米晶材料主要是在冷轧变形过程中非基面位错形成了位错网结构并发生相互缠结形成位错墙。在退火过程中，溶质元素Ag偏析到位错核心处，阻碍位错的回复并促使位错墙向着小角晶界转变，由此形成了纳米晶材料。并且这种利用常规塑性变形手段和低温短时热处理获得纳米晶的方法，为材料的制备和开发提供了一种全新的思路，加工成本低，在工业生产中具有潜在的应用价值。