導讀:追求高強度和高韌性的銀基合金是一個長期存在的挑戰。在本研究中，我們研究了AgMgNi合金的團簇強化和晶粒細化增韌機制，該合金在800°C氧氣氣氛下進行8 h內氧化。我們發現Mg-O團簇通過固溶體強化效應對AgMg合金的硬化（138 HV）和強化（376.9 MPa）做出了貢獻，但犧牲了延展性。為了解決這一限制，我們在AgMg合金中引入了Ni納米顆粒，從而在其微觀結構中產生了顯著的晶粒細化。其中，氧化AgMg合金的晶粒尺寸從67.2 μm減小到含0.3 wt% Ni的AgMgNi合金的6.0 μm以下。氧化AgMg合金的韌性值為2177.9 MJ m ^-³，氧化AgMgNi合金的韌性值為6186.1 MJ m ^-³，提高了2.8倍。內部氧化AgMgNi合金的強度達到387.6 MPa，與內部氧化AgMg合金相當，成功實現了同時強化和增韌。這些結果共同為通過團簇強化和晶粒細化增韌的協同結合來設計高性能合金提供了一種新的方法。

開發具有強度、韌性和延展性協同組合的高性能金屬合金仍然是各個工程領域的關鍵目標。內氧化AgMg基合金最近在這方面引起了極大的關注。內部氧化過程有利于形成明顯的微觀組織特征，從而獲得優異的力學性能。這些特性使它們在航空航天繼電器、電源開關和電子元件中的應用具有很高的吸引力。然而，全面了解內部氧化AgMg基合金的微觀結構與力學行為之間復雜的相互作用仍然是一個持續的挑戰。AgMg基合金內部氧化過程中的晶粒粗化被認為是影響材料力學性能的關鍵因素。先前的研究已經建立了微觀結構演變與機械性能退化之間的相關性。這些研究強調了晶粒細化策略的必要性，以優化內氧化AgMg基合金的力學性能。

AgMg基合金的內部氧化經常導致形成獨特的微觀結構特征，稱為內部氧化帶，這是導致這些材料明顯脆化的主要原因。值得注意的是，在Mg濃度超過2%時，持續觀察到內部氧化帶形成的開始。Mg在高溫下的加速擴散促進了溶質的聚集，導致氧化前沿氧化帶的析出。這些條帶的存在起到了重要的屏障作用，阻礙了氧氣的進一步進入，從而阻礙了合金的完全氧化。通過降低Mg含量來抑制內部氧化帶的形成，可以促進內部氧化AgMg基合金的充分氧化，提高內部氧化AgMg基合金的整體力學性能。

在本研究中，東北大學劉紹宏團隊設計了含有0.24 wt% Mg的AgMgNi合金，以防止內部氧化帶的形成。此外引入了不同的Ni含量（范圍從0.15 wt%到2 wt%）來微調晶粒尺寸。為了使合金完全氧化，將其暴露在800°C的氧氣中8小時。通過這些深思熟慮的策略目標是制造出具有優異強度，硬度和韌性的內部氧化AgMgNi合金。值得注意的是這個實驗成功地合成了這種合金，并闡明了合金強化、晶粒細化和增韌的潛在機制。本研究不僅為制備高強度、高韌性的AgMgNi合金提供了理論依據，也為提高其他合金體系的力學性能提供了啟示。

相關研究成果以“Mechanistic insights into cluster strengthening and grain refinement

toughening in fully oxidized AgMgNi alloys”發表在Journal of Materials Science & Technolog上

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1005030224010466

圖1冷軋AgMgNi合金的組織與成分分析。

（a-f） SEM背散射電子圖像顯示具有不同形態和尺寸的二次相。

(g)圖1(d)中的元素分布圖突出了合金組織中Ag、Ni和Mg的空間分布。RD和ND分別代表滾動方向和法向。

采用SEM背散射電子成像技術研究冷軋合金中二次相的存在、形態和分布（圖1(a-f)）。值得注意的是，在AgMg合金中未觀察到二次相，表明其單相性質。相反，在冷軋AgMgNi合金中，明顯的二次相很明顯。定量分析表明，在含0.15和0.3 wt% Ni的合金中，球形二次相顆粒的平均直徑約為2.0 μm。有趣的是，高Ni含量（0.7-2 wt%）的合金表現出拉長的、條狀的二次相。此外，合金的能譜圖（圖1(g)）較高的Ni含量（0.7 wt%）表明，在次級相中Ni明顯富集，而Mg仍然主要分布在整個Ag基體中。定量EDS分析證實了這些觀察結果（表S1），證實了次級相的組成為純Ni。觀察到的Ni的不混相和Mg與Ag的混相與已建立的Ag - Ni和Ag - Mg二元相圖一致。

圖2TEM圖像描繪了冷軋AgMgNi合金在不同Ni含量下的顯微組織：

(a) 0 wt%, (b) 0.15 wt%, (c) 0.3 wt%。

(d)選擇區域電子衍射（SAED）圖，從圖中圈出的區域得到。

(c)，驗證冷軋AgMgNi合金中微米級Ni顆粒的存在。STEM-EDS分析顯示，

在鎳含量為(e) 0.3 wt%, (f) 0.7 wt%, (g) 2 wt%的冷軋合金中存在納米級Ni顆粒。

圖2給出了含不同Ni含量（0-2 wt%）的冷軋AgMgNi合金顯微組織的綜合分析。亮場透射電子顯微鏡（BF-TEM）顯微照片（圖2(a-c)）顯示了所有成分中明顯的位錯密度和纏結，表明冷軋引起的塑性變形。從圖2(c)中標記區域獲得的選擇區域電子衍射圖（圖2(d)）證實了0.3 wt% Ni合金中存在具有面心立方結構的微米級Ni顆粒。值得注意的是，STEM-EDS映射（圖2）。(e-g)表明，在含有0.3、0.7和2 wt% Ni的冷軋AgMgNi合金中存在納米級Ni顆粒（約35 nm）。

圖3（a-f）不同Ni含量AgMgNi合金內部氧化的縱剖面顯微組織。通過SEM-EBSD成像揭示了微觀結構的變化。

(g)各合金基體晶粒尺寸分布直方圖。

(h)平均晶粒尺寸與Ni含量的函數關系，說明了Ni的加入對晶粒的細化作用。

圖4內氧化AgMgNi合金的顯微組織表征。(a)背散射電子（BSE）顯微照片顯示了含有0.7wt% Ni的合金中不同的二次相形態。

（b-e）圖4(a)所示區域的EPMA-WDS元素分布圖，顯示了Ag、Ni、O和Mg的空間分布。（f-g） EPMA線掃描圖4(a)中標記區域，量化二次相顆粒內的Ni和O濃度分布。

（h, i） BSE圖像以及相應的EDS元素圖，突出了Ag， Ni， O和Mg在含有1.19 wt% Ni和2 wt% Ni的內部氧化AgMgNi合金中的空間分布。

圖5(a)內部氧化AgMg合金的BF-TEM圖像。

（b, c）與圖5(a)所描繪的區域對應的SAED模式。

(d) STEM圖像以及相關的EDS映射圖像，闡明了內部氧化AgMg合金中的元素分布。

（e-g）內部氧化AgMgNi合金的BF-TEM圖像，不同的Ni成分：0.15,0.7和2 wt%。

圖6(a)位于含有0.3 wt% Ni的內部氧化AgMgNi合金晶界的納米顆粒的HRTEM圖像。

（b, c）圖6(a)中矩形表示區域的放大視圖，相應的快速傅里葉變換（FFT）模式如插圖所示。(d)納米顆粒在晶界處的HRTEM圖像內氧化AgMgNi合金，Ni含量為2wt %。

（e, f）圖6(d)中矩形區域相應FFT插入的放大視圖。

（g-i）分別含0.3、0.7和2 wt% Ni的內部氧化AgMgNi合金的STEM圖像和相應的EDS測繪數據。

圖7內氧化AgMgNi合金基體晶粒中Mg-O團簇的固溶體。

(a) AgMg合金在800℃氬氣中退火8 h的BF-TEM圖像。這張參考圖片可與氧化合金作比較。（b-d）不同Ni含量（0,0.3和0.7 wt%）的內部氧化AgMgNi合金的BF-TEM圖像。

圖7（b-d）中的插頁顯示了與圈出區域對應的SAED模式。

(e)含0.3 wt% Ni的內部氧化AgMgNi合金的HRTEM圖像。圖7(e)中的插圖顯示了相應的快速傅里葉變換（FFT）圖像。

（f, g）圖7(e)中矩形區域的放大圖像，以及它們的快速傅里葉反變換（IFFT）圖像。

圖8變Ni含量合金的力學特性。

(a)鑄態、冷軋態和內氧化態合金的表面硬度對比分析。(b)內氧化合金縱斷面的硬度分布圖。(c)內氧化合金的工程應力-應變曲線。

(d)從應力-應變曲線中提取的關鍵力學性能，包括屈服強度（YS）、極限抗拉強度（UTS）、斷裂應變和能量吸收。

圖8(b)中的插圖顯示了硬度測試后觀察到的明顯壓痕。表明含2wt % Ni的AgMgNi合金完全氧化。

圖9（a-d, f-h）不同鎳含量內氧化合金斷口的SEM顯微圖。

(e)細小NiO二次相的SEM圖像和相應的EDS元素映射，顯示了凹窩的形成。

（i, j）較大NiO二次相的SEM圖像及相應的EDS元素映射，揭示了大裂紋的形成。在所有合金中觀察到的韌窩（藍色箭頭表示）表明主要的韌性斷裂模式。

晶間裂紋（用紅色箭頭表示），特別是在含鎳量為0 wt%的合金中，以及由次級相產生的裂紋（用紅色圓圈突出顯示）表明，斷裂行為與含鎳量有關。

本研究成功地制造了具有高強度、韌性和硬度的內部氧化AgMgNi合金。闡明了晶粒細化、增韌和強化的機制。主要成果如下：

(1)內部氧化AgMg合金的硬度（138 HV）和極限抗拉強度（376.9 MPa）顯著提高，這是由于Mg-O團簇促進了固溶體強化。然而，這種強化機制導致了延展性的降低，斷裂應變僅為7.1%。

(2)在冷軋AgMgNi合金組織中引入納米級Ni顆粒（約35 nm），在隨后的內部氧化過程中促進了晶粒的細化。與內部氧化AgMg合金的67.2 μm晶粒相比，內部氧化AgMgNi合金的晶粒尺寸明顯減小，小于6 μm。這種實質性的晶粒細化導致斷裂應變和韌性的顯著增強，而不影響材料的強度。值得注意的是，含有0.3 wt% Ni的組合物表現出優異的力學性能，最大強度為387.6 MPa，斷裂應變為17.4%，硬度為143 HV。這些結果共同表明，在AgMgNi合金體系中成功實現了高強度、高韌性和高硬度。

(3)較高的Ni含量（0.7 ~ 2 wt%）有利于合金內部形成較大的NiO二次相（數十微米）。這一發現強調了保持低鎳含量的重要性，以盡量減少有害的、大的含鎳二次相的形成，并獲得最佳的強度和韌性。這些結果為設計具有優異力學性能的先進合金提供了一種新的策略。