超高速撞击条件下镁合金损伤行为及其微观机制

Light-weight and high-strength magnesium alloys have potential applications in spacecrafts and new-concept weapons. The damage behaviors of magnesium alloys under hypervelocity impact have been the focus of materials scientists. Two-stage light gas gun will be used to conduct hypervelocity impact in this project, aiming to investigate the micro-damage behavior of magnesium alloy target with different types of projectiles under a range of impact velocity. The deformation behavior of magnesium alloy under high strain rate will be explored based on Hopkinson bar and thermal simulation tests, and thus to establish its constitute equation and its reliability. The deformation microstructures near the crater will be examined by optical microscope, scanning electron microscope and transmission electron microscope. The strain field and thermal field near the crater are to be simulated using finite elementary analysis. The formation mechanism and evolution model of typical microstructures of magnesium alloy under hypervelocity impact are to be established. We will also measure the mechanical properties of the different areas near the crater to evaluate the remaining strength of magnesium alloy upon hypervelocity impact. The current work is hopefully supporting the fundamental understanding and basic data for the applications of magnesium alloys in aerospace and aeronautics fields.

轻质高强镁合金在空间飞行器及新概念武器上具有良好的应用前景。而空间飞行器服役过程中遭遇各种空间碎片撞击的可能性越来越大，因此研究镁合金在超高速撞击条件下损伤行为、建立起镁合金抗超高速撞击能力评价准则越来越重要和急需。本项目拟通过对镁合金在不同超高速撞击条件下宏观及微观变形与损伤行为的系统研究，揭示镁合金在超高速撞击条件下的宏观变形与损伤规律，以及在超高速撞击产生的极端条件下合金中特征组织的形成规律、演化过程及其微观结构与性能变化规律，丰富金属材料的塑性变形与微观组织演化理论。通过对不同组织结构镁合金超高速撞击条宏观及微观变形与损伤行为的系统研究，建立起镁合金抗超高速撞击能力评价准则，为镁合金在空间领域的应用设计及可靠性评价奠定理论基础。

本研究针对镁合金高应变速率变形行为开展研究，系统研究了超高速撞击条件下镁合金宏观损伤行为、微观变形与损伤行为及其微观机制、超高速撞击条件下镁合金典型微观组织结构演变以及镁合金组织性能对其超高速撞击变形与损伤行为的影响等四方面的研究内容。研究基于弹坑形态及组织表征以及应力应变-温度分布，揭示了宏/微观变形与损伤规律以及特征组织形成的过程机理。.研究表明，随着撞击速度的增加，弹坑由球冠形逐渐过渡到半球形。撞击成坑过程中撞击方向上的材料承受了最严重的动态变形，45°撞击方向的材料次之、垂直撞击方向上的材料变形程度最轻。弹坑周围组织表征显示，沿撞击方向变形组织分布区域最宽，45°撞击方向分布次之、垂直撞击方向最窄。.撞击速度高于某一阈值时，弹坑附近区域发生了强烈的绝热剪切效应。随着撞击速度的增加，弹坑附近材料发生均匀塑性变形、应变局部化(形变带)、白色侵蚀带(转变带)直至开裂的演化过程，在不同变形阶段、变形程度位置形成形变带和转变带。形变带以严重变形、碎化的晶粒为主，而转变带内形成细小等轴的再结晶晶粒。镁合金转变带内细晶的形成应归结于孪晶诱发的旋转动态再结晶机制。.弹坑附近典型的微观结构研究表明高速撞击条件下镁合金中主要形成了{2110}拉伸孪晶和{1110}压缩孪晶，孪生方向分别为<1011>和<1012>。高速撞击条件下弹坑附近超细晶Mg晶粒内部存在高密度的位错结构，位错滑移是超细晶Mg晶粒进一步塑性变形的主要方式。高速撞击条件下形成的非晶组织是熔化、快速凝固的结果。.撞击后弹坑附近材料的力学性能研究表明随着撞击速度的增加，撞击后弹坑附近的动态屈服强度逐渐增大，而动态抗压强度在一定的撞击速度下存在极大值。超过临界撞击速度，撞击后材料的动态抗压强度随着撞击速度的继续增加而降低。原位拉伸试验研究表明撞击诱发的微裂纹、微孔洞、绝热剪切带及孪晶界是主裂纹形核和扩展的主要路径，大量缺陷的形成降低了材料抵抗继续变形的能力。