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南工大《Scripta Mater》：鎂合金固溶原子介導的Hall-Petch方程！

2022-06-16 17:06:58 作者：材料科學與工程來源：材料科學與工程分享至：

鎂（Mg）及其合金一直被認為是汽車和航空航天工業中理想的輕質結構材料，晶粒細化已被證明是一種非常有效的強化方法，與晶粒強化相關的Hall-Petch方程，其中斜率k可以反映晶界強化的效率。研究表明，k值隨固溶含量單調增加，并且任何限制多次滑移的硬化形式都會增加k值。同樣固溶原子的類型極大地影響了Mg合金的微觀結構、織構和力學性能。例如稀土元素會對Mg合金的變形模式造成不同的固溶強化效果。雖然不同固溶原子的加入可能會改變織構、基面滑移與非基面滑移的CRSS比值以及變形機理，但不同固溶元素對Mg合金的Hall-Petch關系的研究尚不多見。

南京工業大學的研究人員通過定量計算和實驗驗證，揭示了Hall-Petch關系的固溶元素依賴性機制。相關論文以題為“Solute atom mediated Hall-Petch relations for magnesium binary alloys”發表在Scripta Materialia。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.114451

圖1 室溫下沿ED壓縮的真實應力-應變曲線：（a） Mg-Al;（b） Mg-Zn;（c） Mg-Y;（d） Mg-Gd。

圖2 Mg-Y、Mg-Gd、Mg-Al和Mg-Zn合金在壓縮過程中的屈服應力與晶粒尺寸的關系。

圖3 （a）Mg-Al;（b）Mg-Zn;（c）Mg-Y和（d）Mg-Gd的極值圖。

圖4 （a）Mg-Al;（b）Mg-Zn;（c）Mg-Y和（d）Mg-Gd的邊界錯位。紅線表示{10-12}孿晶晶界。

EBSD極圖顯示Mg-Y和Mg-Gd的織構明顯不同于Mg-Al和Mg-Zn。Mg-Al和Mg-Zn的基面極點主要垂直于ED，而Mg-Y和Mg-Gd的基面極點則在距離ED約40-75°的環空中散射分布。鎂合金的變形行為與其織構密切相關。四種合金經2%壓縮后的形變組織顯示Mg-Al和Mg-Zn中{10-12}孿晶所占比例較高，而Mg-Y和Mg-Gd中{10-12}孿晶所占比例較低。即在Mg-Zn和Mg-Al中，{10-12}孿晶是主要的變形方式，而在Mg-Y和Mg-Gd中，除{10-12}孿晶外，還存在大量位錯滑移。

四種合金之間主要變形模式之間的差異是否與Hall-Petch中的k值差異有關呢？已有研究表明，基面滑移主要變形的k （155 MPa·μm1/2）遠低于{10-12}孿晶k（223 MPa·μm1/2），因此，較高比例的基底面滑移激活會降低k值。此外，激活較高比例的基面滑移將導致其與孿晶之間更強的相互作用。基面滑移的激活可以有效地觸發晶粒內或相鄰晶粒的形成孿晶。一般情況下，當基面位錯滑到孿晶界時，基面位錯會解離為孿生位錯和殘余位錯。隨著基面位錯和解離的不斷進行，其在晶界處的堆積將有效地促進該晶內或相鄰晶內孿晶的形核。因此，晶粒中的基面滑移能夠促進晶粒相鄰孿晶變形。即同一晶粒內基面滑移容易的變形傳遞到相鄰晶粒內{10-12}孿晶，因此k值較低。

總而言之，沿擠壓方向壓縮Mg-Y （220MPa·μm1/2）和Mg-Gd （285MPa·μm1/2）的Hall-Petch斜率k較Mg-Al （324MPa·μm1/2）和Mg-Zn （322MPa·μm1/2）低。Zn或Al的加入形成了更強的基面織構，在擠壓方向的壓縮下，{10-12}孿晶變形為主要的變形方式。相反，Gd或Y的加入會使織構變弱，因此{10-12}孿晶和基面滑都被廣泛激活。基面滑移較低的k值以及基面滑移對{10-12}孿晶活化的作用導致Mg-Y和Mg-Gd的k值較低。

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