镁及镁合金塑性变形的纳米尺寸效应及相关力学行为研究

Due to the hexagonal close-packed (hcp) structure of magnesium and its alloys, improving the ductility of wrought magnesium alloys is the key question for its research and application. According to recent research, the "loss" of twins phenomenon and its related theoretical study revealed the essence of the plastic deformation in magnesium and its alloys, which is of great importantance for the study of the palsticity ofmagnesium single crystal and ploycrystal. Therefore, based on the size effect of the plastic deformation in magnesium single crystal, we will give further study of the atomic-scale mechanism and rule of plastic deformation in magnesium and its alloys by using atomistic simulation and the first-principle theory in this research. Moreover, the scaling time method will be used to study the influence of strain rate on the plastic deformation. After obtaining the constitutive relation of different plastic deformation ways by investigating the atomic-scale mechanism and rule of plastic deformation, we will establish meso-scale crystal plasticity modeling to study the plastic deformation behavior in magnesium single crystal and polycrystal. We attemp to explore the plastic deforamtion mechanism of magnesium alloys, investigate an effective way to improve the palsticity and ductility for the magnesium alloys. This research is important for the application and study of the basic theory of magnesium alloys.

由于镁及镁合金的密排六方结构，改善变形镁合金的塑性成为其研究和应用中急需解决的关键问题之一。最新研究表明，镁单晶纳米柱压缩的孪晶缺失现象及相关理论揭示了镁及镁合金塑性变形的微观机制，对于单晶和多晶的塑性变形行为研究具有重要意义。因此，本研究将基于镁单晶塑性变形的纳米尺寸效应行为，运用原子模拟和第一原理计算的方法进一步揭示镁及镁合金塑性变形的微观机制和本质；并运用跨越时间尺度的多尺度方法探讨应变率对于塑性变形机制的影响；由塑性变形的微观机制和准则，建立耦合微结构演化的晶体塑性本构模型，实现镁单晶和多晶的塑性变形行为的研究。以上研究目的在于探讨镁合金塑性变形的本质，探索改善变形镁合金塑性和韧性的学术思想及技术途径，并最终为镁合金开发、设计以及加工工艺和技术提供理论指导。

由于镁及镁合金的密排六方结构，改善变形镁合金的塑性成为其研究和应用中急需解决的关键问题之一。本项目主要研究镁及镁合金中塑性变形机制及纳米尺寸效应行为，并开展了时间和空间多尺度研究方法的探索。研究成果包括：（1）运用三维分子动力学模型研究了镁单晶压缩的塑性变形机制并探讨了孪晶的尺寸效应行为。运用晶体旋转应变分析了纳米尺度的密排六方金属孪晶形成的应变能依赖性，从理论上进一步解释了镁单晶纳米柱不存在压缩孪晶的原因；（2）运用分子动力学方法分析在压缩载荷条件下锥面滑移的分解方式。运用第一原理和分子动力学方法计算了纯镁单晶中锥面I以及与其相邻的{30-34}和{30-32}面的广义堆垛层错能，给出了锥面I位错的可能分解方式；（3）研究了镁单晶在不同取向拉伸和压缩载荷作用下的初始塑性变形机制。进一步研究了镁单晶中基面/柱面（BP）界面和产生和扩展，以及与π3孪晶的相互转换机制；（4）运用分子动力学方法研究纳米孪晶镁在单轴压缩及单轴拉伸载荷作用下的变形行为以及沿晶裂纹扩展，在考虑孪晶界间距、加载方向以及裂纹位置等因素的前提下揭示了π3纳米孪晶镁的塑性变形机制和不同孪晶界间距时韧脆转变的内在原因。（5）运用时间尺度方法研究了核辐照损伤中晶界面自间隙发射机制，并运用NEB和ABC方法对铝镁合金中与溶质原子扩散相关的时效硬化机制进行了探索性研究。以上研究对于认识和改善镁及镁合金塑性行为具有重要理论意义。