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北航《Acta Materialia》：超細晶純鎂的室溫及低溫力學行為重要進展

2022-08-16 11:52:43 作者：材料科學與工程來源：材料科學與工程分享至：

鎂是密度最輕的金屬結構材料，在航空航天、交通運輸等減重需求迫切領域具有廣泛的應用前景。然而，鎂具有密排六方晶體結構，獨立的滑移系少，其室溫強度和塑性均較低。前期研究表明[Zheng et al. Acta Mater. 198 (2020) 35]，通過晶粒細化可實現純鎂室溫強度和塑性的協同提高，不過當晶粒尺寸細化到超細晶范疇（d ＜1μm）時，其強度顯著降低但是塑性大幅提高至60%以上，展現出獨特的力學行為。

為了進一步澄清超細晶純鎂的塑性變形行為，來自北京航空航天大學、日本原子能研究機構、京都大學和大阪大學的研究人員利用先進的原位中子衍射和電子顯微分析技術，系統研究了塊體超細晶純鎂在室溫和液氮溫度下的準靜態拉伸變形行為。相關論文以“Rediscovery of Hall-Petch strengthening in bulk ultrafine grained pure Mg at cryogenic temperature: A combined in-situ neutron diffraction and electron microscopy study”為題發表在金屬材料領域頂級期刊Acta Materialia上。北京航空航天大學材料科學與工程學院的鄭瑞曉副教授是論文的第一作者兼通訊作者，日本原子能研究機構的龔武博士為論文的共同通訊作者。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645422006231

研究結果表明，超細晶樣品在室溫變形過程中幾乎沒有位錯的累積，即使拉伸變形60%后依然能觀察到再結晶程度很高的等軸超細晶組織。與之相反，超細晶樣品在液氮溫度下展現出極高的屈服強度（309MPa）和抗拉強度（380MPa）。室溫下的軟化現象消失，超細晶樣品的屈服強度在液氮溫度下重新回歸Hall-Petch線性關系。進一步的中子衍射譜解析和微觀組織分析表明，液氮溫度下導致材料軟化的晶界滑移機制被抑制，孿晶和大量非基面滑移系被激活，賦予材料較高的屈服強度和加工硬化能力。不過值得指出的是，超細晶純鎂在液氮溫度下的塑性較低（斷裂伸長率僅5%）。未來，通過合理的合金化設計有望改善晶界強度及其宏觀塑性，為鎂合金在低溫環境服役提供理論依據。