摘要
镁合金作为金属结构材料轻量化的理想选择，具有广阔的应用空间。常见镁合金室温成形性差、强度较低，使它在实际工程领域的应用受到了限制，优化镁合金的力学性能成为亟待解决的问题。一般认为，添加合金元素（如稀土元素）或细化晶粒尺寸可显著提高镁合金的成形性和强度。因此，控制晶粒尺寸以及合理选择合金元素对调控镁合金力学性能具有重要意义。本研究选择了具有相似溶质原子含量的四种二元合金（Mg-Y、Mg-Gd、Mg-Al和Mg-Zn），研究了合金元素类型对镁合金晶粒长大行为的影响，进一步地，通过调控不同镁合金的晶粒尺寸研究了四种二元镁合金中晶粒尺寸对力学行为的影响。根据以上研究内容，本论文的主要发现如下： ①合金元素类型对镁合金微观组织的热稳定性有重要影响。结果表明Mg-Al、Mg-Zn、Mg-Y和Mg-Gd合金的热稳定性满足以下关系：Mg-Al合金＜Mg-Zn合金＜Mg-Y合金＜Mg-Gd合金。合金元素对镁合金微观组织热稳定性的影响与各元素的晶界偏聚能以及偏聚后溶质原子和晶界的相互作用有关。基于{10(1)3}和{2?021}共格孪晶界为模型的第一性原理计算表明：Al的偏聚能最低，这将导致Mg-Al合金在低温下就出现异常晶粒长大；Gd的偏聚能远高于其他三种元素，因此，Mg-Gd合金只有在高温下才会出现异常晶粒长大；Y的偏聚能高于Zn的偏聚能，这将导致Mg-Zn合金比Mg-Y合金更容易发生异常晶粒长大。 ②合金元素类型及样品晶粒尺寸对镁合金的加工硬化行为有重要影响。Mg-Al和Mg-Zn合金的加工硬化行为表现出单峰特征，随着晶粒尺寸的增大，加工硬化率峰值逐渐增大且达到峰值需要的应变减小。Mg-Y和Mg-Gd合金在压缩变形过程中加工硬化行为表现出双峰特征，加工硬化率的第一个峰的峰值随晶粒尺寸的增大逐渐减小，而第二个峰的峰值随晶粒尺寸的增大逐渐增大。 ③合金元素及晶粒尺寸对镁合金加工硬化行为的影响与不同镁合金中{10(1)2}孪生的活性密切相关。Mg-Al和Mg-Zn合金沿棒材轴向压缩过程中{10(1)2}孪生为主导变形机制。对于孪生区域，在孪生耗尽后，进一步的变形需要激活具有较高临界启动应力的变形模式来协调外加变形，孪生区域以弹性变形来协调外加应变，此过程将导致加工硬化率峰的出现。Mg-Y和Mg-Gd合金中由于Y和Gd元素的添加可减弱织构强度，导致晶粒c轴与加载方向夹角较小的晶粒增多。压缩变形时，晶粒c轴与加载方向之间的夹角较大的晶粒会在压缩变形过程的早期触发{10(1)2}拉伸孪晶，导致第一个加工硬化峰的出现，随着施加应变应力的增加，具有较小夹角的晶粒也会引发{10(1)2}拉伸孪晶，这将导致第二个加工硬化峰的出现。
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