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含LPSO结构Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金循环塑性变形及疲劳裂纹萌生机制研究

批准号:
52071211
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
王锋华
依托单位:
学科分类:
金属结构材料与力学行为
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
王锋华

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
新型含低能共格界面LPSO结构的Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金,呈现优异的强韧性能和疲劳性能,具有重要的轻量化应用前景;但由于显著的疲劳寿命应变幅值敏感性和疲劳寿命台阶,以及其循环塑性变形和疲劳损伤机制不清楚,限制其在航空航天和武器装备上的应用。本项目将设计和制备含不同LPSO结构形貌和体积分数的Mg-Gd-Y-Zn-Zr镁合金,基于原位微观二维物理网格变形,揭示LPSO结构对应力集中和裂纹萌生的影响机制;研究挤压镁合金的循环塑性变形和疲劳裂纹萌生行为,阐明非基面滑移和扭折对含LPSO结构镁合金塑性变形影响机制;表征二维、三维裂纹形貌及裂纹附近晶粒特征等,定量化地揭示驻留滑移带、晶界、块状内部、片层晶内和相界等裂纹萌生竞争机制,深入阐明LPSO结构对疲劳裂纹萌生、疲劳寿命台阶形成和改善疲劳寿命等影响机制,为调控变形镁合金强韧性能和疲劳性能以及开发高强韧耐疲劳镁合金零件等提供理论基础。
英文摘要
Mg-Gd-Y-Zn-Zr alloy with the LPSO structures of the low-energy coherent interface presents important lightweight potential for achieving higher strength-elongation and fatigue life simultaneously. However, significant strain amplitude sensitivity and fatigue life step existing, and the mechanism of cyclic plastic deformation and fatigue crack initiation is not clear, which greatly limits the designation and application of high-strength magnesium alloy. In this work, the extruded Mg-Gd-Y-Zn-Zr magnesium alloys with different morphologies and volume fractions of LPSO structures will be designed and manufactured. First, the effects of LPSO structures on stress concentration and crack initiation will be examined based on in-situ deformation of microscopic two-dimensional physical grid. Secondly, the fatigue lives of extruded GWZ alloy will be obtained after cyclic plastic deformation and fatigue crack initiation behavior examined. As well, the mechanism of non-basal slip and kinking on the cyclic deformation can be quantitatively clarified. Finally, after characterizing 2D and 3D crack morphology and grain features near the cracks, the mechanism of crack initiation competition among persistent slip bands, grain boundaries, interior of block structure, interior of the grain with lamellar structure, phase boundaries, etc., is going to be quantitatively revealed. Moreover, the effects of LPSO structures on the mechanism of fatigue crack initiation, fatigue life step formation and fatigue life enhancement will be illustrated. This work will lay the foundation for regulating the strength-toughness and fatigue property of the magnesium alloy and developing high performance components.
轻质材料的强韧性能和疲劳性能对新一代航空航天及武器装备的性能提升具有重要意义。含LPSO结构的GWZ镁合金表现出优异的疲劳性能,但也存在显著的应变幅值敏感性和疲劳寿命离散性等问题,其微观组织和变形机制十分复杂。本项目系统地研究了GWZ镁合金晶间块状LPSO结构和晶内不同间距层片状LPSO结构对循环塑性变形及疲劳损伤行为的影响机制。通过改变热处理制度和冷却方式,设计并制备了含有块状和不同间距层片状LPSO相的高强韧镁合金。单向变形实验结果表明,含块状LPSO相的合金裂纹萌生集中在晶界与相界,而含有块状和层片状LPSO相的合金中约40%的裂纹萌生发生在层片之间。层片相通过载荷传递和扭折机制分担了晶界的应力,从而提高了合金的塑性。通过原子力显微镜(AFM)和透射电子显微镜(TEM)表征,结合晶体塑性仿真和阻尼机制分析,揭示了含LPSO结构镁合金的循环塑性变形损伤机制:对于1%-3%应变幅值的中、低周次循环变形,含有晶间块状相和晶内不同间距层片状相的合金疲劳寿命低于仅含晶间块状相的合金。AFM表明层片相促进了层间基体的基面滑移,晶体塑性仿真进一步解释了层片相通过载荷传递机制导致层间基体的应变局域化,从而促进了多滑移系的激活。对于0.25%-3%的高周次循环变形,含有密集层片相的合金表现出异常高的疲劳寿命,此应变下弹性变形和位错短距离滑动占主导地位,阻尼性能反映了合金位错的运动能力,阻尼性能越低,高周次疲劳寿命越优异。目前已发表4篇高水平学术论文,并申请专利4项。研究结果对于丰富镁合金的循环塑性变形理论、疲劳损伤机理及调控镁合金的疲劳性能具有重要意义。
热旋压成形中镁合金梯度组织及织构形成机理研究
  • 批准号:
    51601112
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    20.0万元
  • 批准年份:
    2016
  • 负责人:
    王锋华
  • 依托单位:
国内基金
海外基金