《包含三維複雜形狀枝晶的多相組織變形行為研究》是依託北京航空航天大學，由汪明月擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：包含三維複雜形狀枝晶的多相組織變形行為研究
- 依託單位：北京航空航天大學
- 項目負責人：汪明月
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
多數工程材料的微觀組織為典型的三維異質多相多晶網狀互聯結構，基於真實三維組織的力學性能模擬，以及載入條件下考慮時間的四維原位實時研究有著重要意義。鎂鋁合金是重要的輕量化合金，在成形過程中一般都會經歷凝固行為並形成三維複雜形狀樹枝晶，研究複雜形狀三維枝晶凝固多相組織的變形行為有著重要的科學內涵。具體內容為：1、首先用兩種凝固方法製備鎂鋁合金樣品並用同步輻射X射線μCT技術獲取凝固合金的三維微觀組織；2、用聚焦離子束技術結合EBSD取向標定對合金樣品定位製備微柱試樣，並用平頭微柱單壓技術獲取各個組成相的力學性能參數和本構關係；3、將真實三維組織和組成相的力學參數作為輸入進行有限元建模，研究複雜形狀多相組成的力學行為回響，提出模型並用原位的μCT及小角/寬角散射實驗驗證模擬結果及修正力學模型。該研究及方法論對認識包含複雜結構的異質兩相及多相合金以及複合材料的三維組織/力學行為有著普適性。
結題摘要
一、背景 已有的研究多集中在簡單晶粒形狀和單相組成，對複雜形狀枝晶組織組成的三維凝固組織力學行為研究甚少。同時在基於真實組織的三維模擬過程中，也沒有使用微力學測試實驗去獲取單個微觀組成的本構關係並將其作為有限元建模的初始輸入。 二、主要研究內容 （1）對Mg–Ca、Mg–Zn和Mg–Sn開展了同步輻射X射線μCT的靜態表征和原位觀察實驗。選取鎂合金體系，因為Mg為h.c.p.結構、Ca為f.c.c.結構、Zn為h.c.p.結構、Sn為b.c.t.結構，從而研究不同晶格類型固溶元素對α-Mg(X)先析出相本身晶格畸變的影響進而對形貌及性能的影響等現象。 （2）對Mg–Ca、Nb–Si和Nb–Si–Ti合金系開展了FIB微柱加工和微力學測試實驗，先採用EBSD在不同組成相上進行晶體學取向信息的收集，然後用FIB對EBSD取向標定後的區域進行離子束加工製備200nm–10μm範圍內不同直徑、長度約為直徑二倍的圓柱形試樣，獲得單個組成相依賴於取向的力學性能參數和應力應變關係。 三、重要結果及關鍵數據 （1）結果證明Mg–9 wt.%Ca合金中的α-Mg樹枝晶形貌主幹周圍發生了3、4、5次分枝樣式，通過精細的晶體學分析得出Mg–9 wt.%Ca合金中α-Mg(Ca)樹枝晶的優先生長方向為<1120>和<2245>。發現隨著Zn含量的添加，α-Mg(Zn)樹枝晶傾向於分裂並向基面連續偏轉的形貌轉變現象，進而表明了α-Mg樹枝晶的演化機制。Mg–15 wt.%Sn合金的凝固過程出現了6模對稱的18次分枝樹枝晶組織，論證了α-Mg(X)樹枝晶生產過程演變的複雜性及形貌形成的多樣性。 （2）獲取了Nb–Si體系中各個組成相的力學性能參數。實驗表明合金化元素Ga的添加在增強Nb5Si3等金屬間化合物相的強度和斷裂韌性的同時，對Nbss固溶體相卻起到了相反作用。 四、科學意義 用同步輻射X射線μCT原位技術和微力學測試手段分析鎂合金、鈮矽合金複雜形狀枝晶組織及異質多相組成力學行為體現了原創性的科學思維和方法論，本項工作也對諸如壓鑄工藝、半固態加工及缺陷形成的認識以及微尺度樹枝晶韌化大塊金屬玻璃等科學思想的理解有著重要的啟發性。
