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《Science Advances》：一種新型超輕、高強(qiáng)鎂合金！

2021-06-24 13:57:21 作者：材料科學(xué)與工程來源：材料科學(xué)與工程分享至：

專家評語：作者在Mg-14Li-7Al（LA147, wt.%）合金中發(fā)現(xiàn)一種低溫下的超快速調(diào)幅分解過程，可導(dǎo)致一種通常僅在鋼中存在的獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)。

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輕質(zhì)、高強(qiáng)鎂合金是目前工業(yè)領(lǐng)域迫切需要的。鎂及鎂合金的強(qiáng)化機(jī)制包括位錯塞積、晶粒細(xì)化、變形孿晶以及溶質(zhì)原子和納米析出相對織構(gòu)的控制或?qū)ξ诲e的釘扎。盡管通過上述機(jī)制增強(qiáng)的鎂合金強(qiáng)度可與一些牌號的鋁合金相媲美，但低于高強(qiáng)鋁合金、鈦合金以及鋼。本文報道了一種經(jīng)調(diào)幅分解機(jī)制強(qiáng)化的新型超輕高強(qiáng)Mg-14Li-7Al（LA147, wt.%）鎂合金，其比強(qiáng)度（～350 kNm/kg）幾乎超過了其他所有工程合金。相關(guān)研究成果以題“Ultrahigh specific strength in a magnesium alloy strengthened by spinodal decomposition”發(fā)表在國際頂級期刊《Science Advances》上。新南威爾士大學(xué)辛同正博士、中北大學(xué)趙宇宏教授為共同第一作者，主要合作者有清華大學(xué)李曉雁教授、賓夕法尼亞州立大學(xué)LQ Chen教授和新南威爾士大學(xué)Michael教授等。

背景介紹及亮點(diǎn)

對于金屬和合金來說，位錯是塑性的有效載體，任何阻礙位錯運(yùn)動（滑移和攀移）的微觀結(jié)構(gòu)都需要更大的塑性變形應(yīng)力。也就是說，微觀結(jié)構(gòu)對位錯運(yùn)動的阻力越大，合金的屈服強(qiáng)度就越高。低密度合金是一種重要的結(jié)構(gòu)材料，通過微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠同時獲得高的屈服強(qiáng)度，從而可滿足航空航天、地面運(yùn)輸、生物醫(yī)學(xué)和電子行業(yè)等對輕量化的要求。

鎂合金為密排六方結(jié)構(gòu)（HCP），是目前工程應(yīng)用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料。鎂合金的強(qiáng)化方式有應(yīng)力加工、晶粒細(xì)化、變形孿晶以及合金化等。但到目前為止，阻礙位錯運(yùn)動最有效的方式是利用第二種成分合金化，即通過形成納米沉淀相或分散的固溶體來實(shí)現(xiàn)合金的強(qiáng)化。鋰（Li）是最輕的金屬元素，加入到鎂合金中可以使鎂的密排六方結(jié)構(gòu)（HCP）轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方結(jié)構(gòu)（BCC），從而可改變鎂合金的許多重要行為，如位錯運(yùn)動和滑移系統(tǒng)的改變，進(jìn)而導(dǎo)致合金屈服強(qiáng)度、加工硬化、延展性、織構(gòu)發(fā)展等方面的差異。本文報道了一種體心立方Mg-14Li-7Al（wt.%）鎂合金（LA147），其比強(qiáng)度可達(dá)～350KNm/Kg 1，超過了幾乎所有其他工程合金。同時，利用原子探針斷層掃描（APT）技術(shù)，并結(jié)合原位結(jié)構(gòu)分析、相場法模擬、分子動力學(xué)和第一性原理計算、物理建模等研究方法證明了LA147鎂合金的高比強(qiáng)度是由調(diào)幅分解引起的，這是一種迄今為止尚未報道過的鎂及鎂合金強(qiáng)化機(jī)制。

圖文解析

圖1. LA147鎂合金的力學(xué)性能。

（A）淬火態(tài)LA147鎂合金不同直徑微柱的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線和相同合金5 mm拉伸試樣的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

（B） LA147 鎂合金與一系列高強(qiáng)度合金的比強(qiáng)度對比。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[20], Inconel 718[57], 層狀鎳鐵鈷合金[58], TWIP 鋼[59]、雙相鋼[59]、馬氏體鋼[57]、馬氏體時效鋼[57]、TRIP鋼[57] 和Ti50Ni47Fe3合金[60]。

（B）圖中圈出的兩種材料是通過濺射沉積途徑并以薄膜形式制備獲得的。

圖2. 淬火態(tài)LA147鎂合金低溫APT結(jié)果與相場模擬結(jié)果對比。

（A）構(gòu)建的 APT微柱，顯示了分布在BCC結(jié)構(gòu)β相（紅色相）內(nèi)的富Al區(qū)（藍(lán)色相）（通過6 at.%鋁等值面繪制）。

（B） LA147鎂合金和一系列調(diào)幅分解合金的時間溫度轉(zhuǎn)變圖。

（C）圖（A）中提取的富Al區(qū)的底面視圖，顯示了調(diào)幅分解的特征形貌和晶體特征。

（D）和（E）分別由 APT 數(shù)據(jù)和相場模擬結(jié)果生成的成分圖。

（F）和（G） Mg、Li 和 Al 分別在圖（D）和（E）中富Al區(qū)的一維濃度分布圖。

圖3. 鎂基二元固溶體的熱力學(xué)和電子特性。

（A）體心立方Mg-Al/Li固溶體在不同溫度下的形成能量曲線。

（B，C，E） Mg65Al35和Mg65Li35固溶體分別在s帶、p帶和全帶上的角動量投影密度。

（D） Mg65Li35和Mg65Al35固溶體中Mg-溶質(zhì)、溶質(zhì)-溶質(zhì)以及Mg-Mg的<-COHP>平均值。

圖 4. LA147鎂合金相變的原位同步XRD分析和相場模擬結(jié)果。

（A）淬火態(tài)LA147鎂合金自然時效過程中的 XRD 數(shù)據(jù)：q = 4πsinθ/λs，其中θ是入射光束和散射光束之間的半散射角，λs是入射X射線的波長。

（B）相場模擬和實(shí)驗(yàn)觀察到的調(diào)幅波長（λ），λ可作為自然時效的時間函數(shù)（t* 表示無量綱時間）。在t0=0 min時，λ = λ0對應(yīng)于淬火不久后實(shí)驗(yàn)所獲得的波長值。主要有3個階段：I、平滑區(qū)；II、快速增長區(qū)；III、平衡區(qū)。

（C）隨自然時效時間變化的富Al區(qū)結(jié)構(gòu)有序參數(shù)。

（D）對應(yīng)的組織演變過程。

有序參數(shù)的范圍從0到1，表示完全無序的固溶體演變?yōu)橥耆行虻腄03-Mg3Al相。其中圖（D）中的數(shù)字是圖S9的一部分。

圖 5. LA147 鎂合金塑性變形的分子動力學(xué)。

（A）具有和不具有富Al區(qū)模擬試樣的三維立體結(jié)構(gòu)。

（B）位錯密度隨圖（A）中試樣體積應(yīng)變的變化。

（C）應(yīng)變?yōu)?%時模擬試樣內(nèi)的位錯網(wǎng)絡(luò)。

總結(jié)與展望

本文提出了一種鎂合金強(qiáng)化機(jī)制新理論，即調(diào)幅分解強(qiáng)化機(jī)制。并結(jié)合Li合金化和調(diào)幅分解強(qiáng)化機(jī)制成功研發(fā)出了一種新型超輕、高比強(qiáng)度LA147鎂合金新材料。同時，采用低溫APT、相場模擬、分子動力學(xué)計算等技術(shù)，為這種調(diào)幅分解強(qiáng)化機(jī)制提供了詳細(xì)的形態(tài)學(xué)、化學(xué)、晶體學(xué)等理論依據(jù)。該調(diào)幅分解強(qiáng)化機(jī)制對于制備和開發(fā)新型輕質(zhì)高強(qiáng)鎂合金材料具有重要意義。

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