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重大突破！九校聯(lián)合發(fā)表《Science》子刊！發(fā)現(xiàn)新強(qiáng)化機(jī)制！制備超高比強(qiáng)度鎂合金！

2021-06-04 15:44:10 作者：材料學(xué)網(wǎng) 來源：材料學(xué)網(wǎng) 分享至：

導(dǎo)讀：眾所周知，鎂（Mg）的強(qiáng)化是通過位錯積累、晶粒細(xì)化、變形孿晶以及溶質(zhì)原子或納米級析出物對織構(gòu)的控制或位錯釘扎來實(shí)現(xiàn)的。這些模式產(chǎn)生的屈服強(qiáng)度可與其他工程合金（如某些牌號的鋁）相比，但低于高強(qiáng)度的鋁、鈦合金和鋼。本文報告了一個調(diào)幅分解強(qiáng)化超輕鎂合金的特定屈服強(qiáng)度超過幾乎所有其他工程合金。我們?yōu)檎{(diào)幅分解提供了引人注目的形態(tài)學(xué)、化學(xué)、結(jié)構(gòu)和熱力學(xué)證據(jù)，并表明在調(diào)幅區(qū)和基體之間的彌散過渡區(qū)的晶格失配是提高這類合金屈服強(qiáng)度的主要因素

在結(jié)晶金屬和合金中，位錯是塑性的最有效載體，任何阻礙其滑動、交叉滑移和攀爬能力的微觀結(jié)構(gòu)特征都需要更高的塑性（永久）變形應(yīng)力。簡單地說，對位錯運(yùn)動的抵抗力越大，金屬的屈服強(qiáng)度就越高。在航空航天、地面運(yùn)輸、生物醫(yī)學(xué)和電子行業(yè)要求輕量化的應(yīng)用中，低密度合金是重要的結(jié)構(gòu)材料，可以通過微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計成高屈服強(qiáng)度。六角密堆積（HCP）鎂（Mg）合金是所有工程金屬中最輕的，因此，即使是中等屈服強(qiáng)度的合金，如果考慮到其他吸引人的性能，在許多結(jié)構(gòu)應(yīng)用中都是非常吸引人的材料。

Mg 可以通過應(yīng)變硬化、晶粒細(xì)化、變形孿晶和晶體織構(gòu)控制等經(jīng)典機(jī)制進(jìn)行強(qiáng)化，但迄今為止，這是提高抗位錯運(yùn)動能力的最有效方法是通過與第二種成分形成合金，形成納米級沉淀物的固溶體或分散體來實(shí)現(xiàn)的。通過將 Mg 與鋰（Li）和鈧（Sc）選擇性合金化，HCP 結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方（BCC），進(jìn)而改變許多關(guān)鍵行為，如位錯動力學(xué)和操作滑移系統(tǒng)，導(dǎo)致屈服和加工硬化行為、延展性、織構(gòu)發(fā)展等方面的差異。鋰的極低密度（0.57 g/cm 3 ）使得它是一種特別有吸引力的合金添加劑，如 MgLi 基 BCC 合金所示，其中高達(dá) 300 kN m kg -1 的比強(qiáng)度與良好的室溫延展性和耐腐蝕性相結(jié)合是可能的。

在這里，清華大學(xué)李曉燕教授聯(lián)合北京科技大學(xué)、日本大阪大學(xué)、美國賓尼法尼亞大學(xué)等九所國際頂級科研機(jī)構(gòu)報告了一種 BCC β 相 Mg-14Li-7Al 合金（LA147），其產(chǎn)生的比屈服強(qiáng)度約為 350 kN m kg -1，幾乎超過了所有其他工程合金。相關(guān)研究成果以題“Ultrahigh specific strength in a magnesium alloy strengthened by spinodal decomposition”發(fā)表在國際頂級期Science advances上。

論文鏈接：

https://advances.sciencemag.org/content/7/23/eabf3039

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該 BCC MgLiAl 系統(tǒng)的強(qiáng)化行為與其他鎂合金不同，因?yàn)樵摵辖鹪趶墓倘軠囟冗M(jìn)行水淬后立即達(dá)到其峰值強(qiáng)度。而淬火強(qiáng)化常用于許多類型的鋼的情況發(fā)生時，與奧氏體到馬氏體的轉(zhuǎn)變nondiffusional相關(guān)聯(lián)的現(xiàn)象，這種類型的轉(zhuǎn)化在高于室溫的溫度。為了揭示 BCC MgLiAl 合金的強(qiáng)化機(jī)制，我們在這里采用了一種強(qiáng)大的新低溫制備方法，用于原子探針斷層掃描（APT），結(jié)合非原位和原位結(jié)構(gòu)分析技術(shù)，以及第一性原理、相場和物理-基于建模以生成確鑿的形態(tài)學(xué)、化學(xué)、晶體學(xué)和熱力學(xué)證據(jù)，證明環(huán)境溫度下的快速和大量強(qiáng)化是由調(diào)幅分解引起的，這是一種迄今為止尚未報道的鎂及其合金的強(qiáng)化機(jī)制。這種在低溫下的調(diào)幅分解為 BCC MgLiAl 合金的廣泛工程應(yīng)用提供了一種經(jīng)濟(jì)有效的方法。

圖 1A顯示了 BCC β 相 LA147 單軸壓縮微柱在標(biāo)準(zhǔn)固溶處理和水淬后顯著的環(huán)境溫度流動行為。對于大于 2 μm 的柱子直徑，屈服強(qiáng)度似乎存在尺寸不變性，結(jié)果值在 620 至 640 MPa 范圍內(nèi)。該臨界直徑小于其他鎂合金報道的~3.5 μm 。圖 S1 顯示了典型的 4 μm 直徑支柱變形后的表面形態(tài)。LA147的超低密度（1.32 g/cm 3 ）和高屈服強(qiáng)度的結(jié)合產(chǎn)生了 470 至 500 kN m kg -1的比強(qiáng)度，幾乎超過了所有已知的工程合金（圖 1B））。

圖 1 LA147 的機(jī)械性能。

（A）不同直徑的 LA147 淬火微柱的壓縮工程應(yīng)變-應(yīng)力曲線和相同合金的 5 mm 拉伸樣品的拉伸應(yīng)變-應(yīng)力曲線。（ B ） LA147 與一系列著名的高強(qiáng)度合金之間的比屈服強(qiáng)度比較。這些材料包括Mg2Zn（12），Mg10Al（12），TZAM6620（20），納米結(jié)構(gòu)化MgCuY合金（54），硬鋁（55），Al-Li合金2050（56），納米結(jié)構(gòu)化的Al合金（54），Ti6Al4V表面（20） , Inconel 718 （ 57 ），層狀鎳鐵鈷合金（ 58 ）， TWIP 鋼（59）、雙相鋼（ 57）、馬氏體鋼（ 57）、馬氏體時效鋼（ 57）、TRIP鋼（ 57）和Ti50Ni47Fe3合金（ 60）。圈出的兩種材料是通過更奇特的濺射沉積途徑以薄膜形式生產(chǎn)的。

圖2 水淬LA147低溫APT結(jié)果與相場模擬對比。

（ A ）重建的 APT 體積，顯示分布在 BCC β 相（品紅色相）內(nèi)的富鋁區(qū)（藍(lán)相）（用 6% 鋁等值面繪制）。（ B ） LA147 和一系列旋節(jié)線合金的時間溫度轉(zhuǎn)變圖。（C）（A）中提取的富鋁區(qū)的底視圖，顯示了經(jīng)典旋節(jié)線的特征形態(tài)和晶體特征。（D和E）分別從 APT 數(shù)據(jù)和相場模擬生成的成分圖。（ F和G ） Mg、Li 和 Al 分別通過（D）和（E）中的富鋁區(qū)的一維濃度分布。

圖3 鎂基二元固溶體的熱力學(xué)和電子性質(zhì)。

（ A ）體心立方 Mg-Al/Li 固溶體中不同溫度下的形成能曲線。（ B、C和E ） Mg 65 Al 35和 Mg 65 Li 35固溶體的角動量投影態(tài)密度分別為s帶、p帶和全部。（ D ） Mg 65 Li 35和Mg 65 Al 35中Mg-溶質(zhì)、溶質(zhì)-溶質(zhì)和Mg-Mg對<-COHP>的平均值。

圖 4 LA147 相變的原位同步加速器 XRD 和相場模擬。

（ A ）自然時效過程中淬火后 LA147 的 XRD 數(shù)據(jù)集：q = 4πsinθ/λ s，其中 θ 是入射光束和散射光束之間的半散射角，λ s是入射 X 射線的波長。（ B ）相位場模擬和實(shí)驗(yàn)觀察到的波長的旋節(jié)線數(shù)據(jù)，λ，作為自然老化時間的函數(shù)（t * 表示無量綱時間）。λ = λ 0在t 0 = 0 min 表示對應(yīng)于淬火后不久實(shí)驗(yàn)獲得的值的波長。主要有幾個階段：I，孵化；二、快速增長；和 III，平衡。（ C）作為自然時效時間和（ D ）相應(yīng)顯微結(jié)構(gòu)演變的函數(shù)的富鋁區(qū)域內(nèi)的模擬結(jié)構(gòu)順序參數(shù)。有序參數(shù)的范圍從 0 到 1，表示完全無序的固溶體演化為完全有序的 D0 3 -Mg 3 Al 相。（D）中的數(shù)字是圖的一部分。

圖 5 LA147 塑性變形的分子動力學(xué)。

（A）具有和不具有富鋁區(qū)域的模擬樣品體積的配置。（ B ）位錯密度的變化作為（A）中所示樣品體積的應(yīng)用應(yīng)變的函數(shù)。（ C ）應(yīng)變?yōu)?7% 時模擬樣品體積內(nèi)的位錯網(wǎng)絡(luò)。

總之，我們報告了一種基于詳細(xì)的形態(tài)學(xué)、化學(xué)和晶體學(xué)證據(jù)，通過以前未知的機(jī)制強(qiáng)化的超輕鎂合金。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與調(diào)幅分解的熱力學(xué)預(yù)測完全一致，并結(jié)合從基于物理的模型、從頭算、分子動力學(xué)和 PFS 產(chǎn)生的證據(jù)。回旋強(qiáng)化與 MgLiAl 基合金固有的低密度相結(jié)合，創(chuàng)造了一種材料，其特定強(qiáng)度超過任何其他報道的工程合金。這里的結(jié)果也可能適用于許多其他未開發(fā)的 Mg-Li 基合金系統(tǒng)。

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