上海交大在镁合金孪生与第二相交互作用机制方面取得重要研究进展

近日，上海交通大学轻合金精密成型国家工程研究中心董杰教授课题组和德国马克斯-普朗克钢铁所Dierk Raabe教授团队合作在镁合金孪生与第二相交互作用机制研究方面取得重要进展，研究成果以“On the interaction of precipitates and tensile twins in magnesium alloys”为题，发表在国际金属材料领域顶级学术期刊《Acta Materialia》上 (原文链接为 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S135964541930494X)，博士生刘传来为第一作者，董帅博士和Pratheek Shanthraj 博士为共同通讯作者。

密排六方晶体结构镁合金包含基面、柱面、锥面滑移和拉伸、压缩、二次孪生和去孪等多种变形模式，这些变形模式与晶界、第二相等之间的交互作用复杂，因此，在介观尺度上研究清楚这些交互作用机制对于提升和调控镁合金的强韧性能具有重要意义。本文利用自行开发的镁合金多晶体塑性-相场耦合全场模型，系统地可视化地仿真研究了镁合金中拉伸孪晶与第二相之间的交互作用机制，定量预测了非剪切第二相的取向、尺寸、体积分数以及形貌 (纵横比) 等对孪晶长大临界剪切应力的影响规律。在介观尺度上建立了变形模式、微观组织和宏观性能之间的关联。发现孪晶与第二相的交互作用会引起局部位错滑移塑性行为，同时激发基面、柱面以及锥面位错，但基面滑移塑性区远大于非基面塑性区。孪晶与第二相的交互作用引起的不均匀应力场以及基体内大量激活的位错会增加后续孪生长大的临界剪切应力。高体积分数、小尺寸、高纵横比、非剪切片状等第二相对阻碍孪晶的长大最为有效，并可有效降低拉伸孪晶和非基面位错之间临界剪切应力的比值，从而可提高镁合金的强度并改善塑性的各向异性。

图 (a) 镁合金拉伸孪晶与第二相交互作用过程中孪晶形貌、基面、柱面和锥面位错以及孪晶面上剪切应力的分布规律；(b) 含不同尺寸球形第二相的单晶体的应力-应变仿真曲线；(c) 第二相尺寸对孪晶长大临界剪切应力、孪晶内部基面、柱面以及锥面位错密度以及背应力的影响规律

近年来，在丁文江院士的指导和支持下，董杰教授团队在镁合金的塑性变形机理方面取得了一系列研究成果，已在顶级材料类学术期刊International Journal of Plasticity和Acta Materialia上发表了5篇论文。另外四篇分别是：靳丽教授发表的原位研究镁合金三点弯曲变形机理方面的论文“In-situ investigation on the microstructure evolution and plasticity of two magnesium alloys during three-point bending” (https://www.sciencedirect.com/science /article/pii/S0749641915000807)；董帅博士发表的镁合金循环变形机理及疲劳损伤方面的论文“Characteristic cyclic plastic deformation in ZK60 magnesium alloy (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0749641916301681)；刘传来博士发表的镁合金塑性变形介观耦合模型研究方面的论文”An integrated crystal plasticity-phase field model for spatially resolved twin nucleation, propagation, and growth in hexagonal materials“(https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0749641917307209)；孙捷博士发表的镁合金晶间协调变形行为研究方面的论文”Towards high ductility in magnesium alloys - the role of intergranular deformation“ (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/ S0749641918303036)。