《Science Advances》!轻质、高强镁合金研究领域重要合作成果:一种经调幅分解机制强 ...

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主要作者:辛同正,赵宇宏,李晓雁,Long-Qing Chen,Michael 等。       
主要单位:澳大利亚新南威尔士大学,中北大学,清华大学,宾夕法尼亚州立大学等。
DOI:10.1126/sciadv.abf3039


专家评语:作者在Mg-14Li-7Al(LA147, wt.%)合金中发现一种低温下的超快速调幅分解过程,可导致一种通常仅在钢中存在的独特的微观结构。




全文速览


轻质、高强镁合金是目前工业领域迫切需要的。镁及镁合金的强化机制包括位错塞积、晶粒细化、变形孪晶以及溶质原子和纳米析出相对织构的控制或对位错的钉扎。尽管通过上述机制增强的镁合金强度可与一些牌号的铝合金相媲美,但低于高强铝合金、钛合金以及钢。本文报道了一种经调幅分解机制强化的新型超轻高强Mg-14Li-7Al(LA147, wt.%)镁合金,其比强度(~350 kNm/kg)几乎超过了其他所有工程合金。相关研究成果以题“Ultrahigh specific strength in a magnesium alloy strengthened by spinodal decomposition”发表在国际顶级期刊《Science Advances》上。新南威尔士大学辛同正博士、中北大学赵宇宏教授为共同第一作者,主要合作者有清华大学李晓雁教授、宾夕法尼亚州立大学LQ Chen教授和新南威尔士大学Michael教授等。




背景介绍及亮点


对于金属和合金来说,位错是塑性的有效载体,任何阻碍位错运动(滑移和攀移)的微观结构都需要更大的塑性变形应力。也就是说,微观结构对位错运动的阻力越大,合金的屈服强度就越高。低密度合金是一种重要的结构材料,通过微观结构设计能够同时获得高的屈服强度,从而可满足航空航天、地面运输、生物医学和电子行业等对轻量化的要求。


镁合金为密排六方结构(HCP),是目前工程应用中最轻的金属结构材料。镁合金的强化方式有应力加工、晶粒细化、变形孪晶以及合金化等。但到目前为止,阻碍位错运动最有效的方式是利用第二种成分合金化,即通过形成纳米沉淀相或分散的固溶体来实现合金的强化。锂(Li)是最轻的金属元素,加入到镁合金中可以使镁的密排六方结构(HCP)转变为体心立方结构(BCC),从而可改变镁合金的许多重要行为,如位错运动和滑移系统的改变,进而导致合金屈服强度、加工硬化、延展性、织构发展等方面的差异。本文报道了一种体心立方Mg-14Li-7Al(wt.%)镁合金(LA147),其比强度可达~350KNm/Kg 1,超过了几乎所有其他工程合金。同时,利用原子探针断层扫描(APT) 技术,并结合原位结构分析、相场法模拟、分子动力学和第一性原理计算、物理建模等研究方法证明了LA147镁合金的高比强度是由调幅分解引起的,这是一种迄今为止尚未报道过的镁及镁合金强化机制。




图文解析


图1. LA147镁合金的力学性能。

(A) 淬火态LA147镁合金不同直径微柱的压缩应力-应变曲线和相同合金5 mm拉伸试样的拉伸应力-应变曲线。

(B) LA147 镁合金与一系列高强度合金的比强度对比。这些材料包括Mg2Zn[12],Mg10Al[12],TZAM6620[20],纳米结构化MgCuY合金[54],硬铝[55],Al-Li合金2050[56],纳米结构化的Al合金[54],Ti6Al4V[20], Inconel 718[57], 层状镍铁钴合金[58], TWIP 钢[59]、双相钢[59]、马氏体钢[57]、马氏体时效钢[57]、TRIP钢[57] 和Ti50Ni47Fe3合金[60]

(B)图中圈出的两种材料是通过溅射沉积途径并以薄膜形式制备获得的。


图2. 淬火态LA147镁合金低温APT结果与相场模拟结果对比。

(A) 构建的 APT微柱,显示了分布在BCC结构β相(红色相)内的富Al区(蓝色相)(通过6 at.%铝等值面绘制)。

(B) LA147镁合金和一系列调幅分解合金的时间温度转变图。

(C) 图(A)中提取的富Al区的底面视图,显示了调幅分解的特征形貌和晶体特征。

(D)和(E) 分别由 APT 数据和相场模拟结果生成的成分图。

(F)和(G) Mg、Li 和 Al 分别在图(D)和(E)中富Al区的一维浓度分布图。


图3. 镁基二元固溶体的热力学和电子特性。

(A) 体心立方Mg-Al/Li固溶体在不同温度下的形成能量曲线。

(B,C,E) Mg65Al35和Mg65Li35固溶体分别在s带、p带和全带上的角动量投影密度。

(D) Mg65Li35和Mg65Al35固溶体中Mg-溶质、溶质-溶质以及Mg-Mg的<-COHP>平均值。


图 4. LA147镁合金相变的原位同步XRD分析和相场模拟结果。

(A) 淬火态LA147镁合金自然时效过程中的 XRD 数据:q = 4πsinθ/λs,其中θ是入射光束和散射光束之间的半散射角,λs是入射X射线的波长。

(B) 相场模拟和实验观察到的调幅波长(λ),λ可作为自然时效的时间函数(t* 表示无量纲时间)。在t0=0 min时,λ = λ0对应于淬火不久后实验所获得的波长值。主要有3个阶段:I、平滑区;II、快速增长区;III、平衡区。

(C) 随自然时效时间变化的富Al区结构有序参数。

(D) 对应的组织演变过程。

有序参数的范围从0到1,表示完全无序的固溶体演变为完全有序的D03-Mg3Al相。其中图(D)中的数字是图S9的一部分。



图 5. LA147 镁合金塑性变形的分子动力学。

(A) 具有和不具有富Al区模拟试样的三维立体结构。

(B) 位错密度随图(A)中试样体积应变的变化。

(C) 应变为7%时模拟试样内的位错网络。




总结与展望


本文提出了一种镁合金强化机制新理论,即调幅分解强化机制。并结合Li合金化和调幅分解强化机制成功研发出了一种新型超轻、高比强度LA147镁合金新材料。同时,采用低温APT、相场模拟、分子动力学计算等技术,为这种调幅分解强化机制提供了详细的形态学、化学、晶体学等理论依据。该调幅分解强化机制对于制备和开发新型轻质高强镁合金材料具有重要意义。

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本文作者2021-6-28 11:23
镁途
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