镁科研:定向凝固Mg/Mg2Yb和Mg/Mg2Ca共晶合金Mg/Laves相层状组织中扭折带的形成 ...

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镁合金高温强度的改善有利于拓宽其在许多领域的应用潜力,提高镁合金的高温力学性能常用的方法是在合金中引入高温力学性能优异的Laves相,具有六边形C14结构的Mg2CaMg2Yb相以及C36结构的(Mg, Al)2Ca相都是较好的选择。然而Laves相具有明显的室温脆性,严重影响着镁合金的塑性。
最近,日本大阪大学的K. Hagihara教授课题组基于定向凝固工艺制备出具有层状微结构的Mg/Mg2YbMg/Mg2Ca共晶合金,并通过对层状微结构施加平行方向的应力,诱导出扭折带结构的产生,从而使得镁合金的高温屈服应力和延展性得以改善。研究表明,由于层状界面的结晶学特征,Mg/Mg2Yb共晶合金中扭折带结构的形成主要受软韧相Mg的控制。Mg/Mg2Yb中部分扰动层状组织的存在对诱导合金中均匀小扭折带的形成起到了有效作用,这使得在塑性变形过程中不会形成微裂纹,导致Mg/Mg2Yb (300 °C) 相对于Mg/Mg2Ca (400 °C)可能变形温度降低。同时,阐明了组成相中的有效滑移面与层状界面之间的几何关系,以及为扭折带结构的形核提供位置是控制其形成的重要因素。该工作为开发使用扭折带的高强度结构材料提供了基础理论研究。

采用SEM-EBSD技术分析了在Mg-Yb合金横截面上获得的典型晶体取向结果,如图1(a, b)所示。通过分析,在片层中确定了MgMg2Yb之间的一些晶体取向关系,如图1(c, d)所示。情形A:层状界面:(11-21)Mg2Yb (1-100)Mg;生长方向:[-1-126] Mg2Yb[-1-120]Mg。情形B:层状界面:(10-11)Mg2Yb (11-22)Mg;生长方向:[0001] Mg2Yb[-1-123]Mg

1 (a, b) 使用SEM-EBSD分析DS Mg/Mg2Yb合金横截面中的典型晶体取向图;(c, d) 对应的极坐标分析图,物相借助EDS进行区分

进一步采用SEM-EBSD分析变形的Mg/Mg2Yb试样,以检查扭折带的结晶特征。图2(a)显示了变形区域的典型晶体取向图。如黑色箭头所示,通过薄层的弯曲可以识别许多扭折带的引入。图2(b)显示了未变形区域晶体旋转角度相对于变形带中的基体的分布。旋转角度的定义如图2(b)所示,晶体旋转角度具有约至约70°的广泛分布。这一特征不同于在变形孪晶中,在变形孪晶中,晶体旋转角度是固定的,因为它们相对于基体具有明确的晶体取向关系。图2(b)中的结果表明,变形带不是变形孪晶,而是变形扭折带。图2(c, d)显示了典型变形扭折带的晶体取向图,其中的颗粒分别对应于图1(a, b)中所示的聚集颗粒,图中的薄层分别满足“情形A”和“情形B”的取向关系。当平行于层状界面施加应力时,无论MgMg2Yb之间的晶体取向关系是否不同,都会形成扭折带。

2 (a) 采用SEM-EBSD400 °C下以方向变形至5%塑性应变的Mg/Mg2Yb试样中测量的典型晶体取向图;(b) 变形带中未变形区域晶体旋转角度相对于基体的分布; (c, d) 典型变形带的高倍率晶体取向图。图中的聚集颗粒对应于图1的情形A和情形B

3显示了在不同温度下压缩的Mg/Mg2Yb合金的典型应力-应变曲线。在方向,一些试样可能在300 °C下变形,但在屈服后立即断裂,伴随着0.3 %的塑性应变。然而,在400 °C时可能发生显著的塑性变形。相比之下,在45°方向300 °C时可能发生大于5%的变形。应力-应变曲线的形状因加载方向而异。在45°方向也观察到屈服下降,但在45°方向流动应力的下降较小。图3还展示了在400 °C下变形的Mg/Mg2Ca合金的应力-应变曲线,以供比较。在Mg/Mg2Ca合金中,取向的屈服强度下降情况看起来比Mg/Mg2Yb更为显著。

在不同温度下以45°方向变形的Mg/Mg2Yb合金的典型应力-应变曲线;以及在400 °C下变形的Mg/Mg2Ca合金的应力-应变曲线

综上所述,本研究利用在层状结构镁合金的平行方向施加应力来诱导扭折带结构的产生,从而提高镁合金的高温屈服强度和塑性变形能力。软韧相与脆性相交错的层状结构有效避免了金属间化合物聚集而引发的微小裂纹。同时较硬的脆性相很好地阻止了剪切应变在片层界面上的传播,限制平行于片层界面的变形,并导致扭折带的形成。这为利用微结构控制高温镁合金中扭折带结构的形成,和改善含Laves相的高温镁合金的力学性能奠定了基础。

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本文作者2022-8-3 14:09
镁途
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