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重大突破！九校聯合發表《Science》子刊！發現新強化機制！制備超高比強度鎂合金！

2021-06-04 15:44:10 作者：材料學網來源：材料學網分享至：

導讀：眾所周知，鎂（Mg）的強化是通過位錯積累、晶粒細化、變形孿晶以及溶質原子或納米級析出物對織構的控制或位錯釘扎來實現的。這些模式產生的屈服強度可與其他工程合金（如某些牌號的鋁）相比，但低于高強度的鋁、鈦合金和鋼。本文報告了一個調幅分解強化超輕鎂合金的特定屈服強度超過幾乎所有其他工程合金。我們為調幅分解提供了引人注目的形態學、化學、結構和熱力學證據，并表明在調幅區和基體之間的彌散過渡區的晶格失配是提高這類合金屈服強度的主要因素

在結晶金屬和合金中，位錯是塑性的最有效載體，任何阻礙其滑動、交叉滑移和攀爬能力的微觀結構特征都需要更高的塑性（永久）變形應力。簡單地說，對位錯運動的抵抗力越大，金屬的屈服強度就越高。在航空航天、地面運輸、生物醫學和電子行業要求輕量化的應用中，低密度合金是重要的結構材料，可以通過微觀結構設計成高屈服強度。六角密堆積（HCP）鎂（Mg）合金是所有工程金屬中最輕的，因此，即使是中等屈服強度的合金，如果考慮到其他吸引人的性能，在許多結構應用中都是非常吸引人的材料。

Mg 可以通過應變硬化、晶粒細化、變形孿晶和晶體織構控制等經典機制進行強化，但迄今為止，這是提高抗位錯運動能力的最有效方法是通過與第二種成分形成合金，形成納米級沉淀物的固溶體或分散體來實現的。通過將 Mg 與鋰（Li）和鈧（Sc）選擇性合金化，HCP 結構轉變為體心立方（BCC），進而改變許多關鍵行為，如位錯動力學和操作滑移系統，導致屈服和加工硬化行為、延展性、織構發展等方面的差異。鋰的極低密度（0.57 g/cm 3 ）使得它是一種特別有吸引力的合金添加劑，如 MgLi 基 BCC 合金所示，其中高達 300 kN m kg -1 的比強度與良好的室溫延展性和耐腐蝕性相結合是可能的。

在這里，清華大學李曉燕教授聯合北京科技大學、日本大阪大學、美國賓尼法尼亞大學等九所國際頂級科研機構報告了一種 BCC β 相 Mg-14Li-7Al 合金（LA147），其產生的比屈服強度約為 350 kN m kg -1，幾乎超過了所有其他工程合金。相關研究成果以題“Ultrahigh specific strength in a magnesium alloy strengthened by spinodal decomposition”發表在國際頂級期Science advances上。

論文鏈接：

https://advances.sciencemag.org/content/7/23/eabf3039

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該 BCC MgLiAl 系統的強化行為與其他鎂合金不同，因為該合金在從固溶溫度進行水淬后立即達到其峰值強度。而淬火強化常用于許多類型的鋼的情況發生時，與奧氏體到馬氏體的轉變nondiffusional相關聯的現象，這種類型的轉化在高于室溫的溫度。為了揭示 BCC MgLiAl 合金的強化機制，我們在這里采用了一種強大的新低溫制備方法，用于原子探針斷層掃描（APT），結合非原位和原位結構分析技術，以及第一性原理、相場和物理-基于建模以生成確鑿的形態學、化學、晶體學和熱力學證據，證明環境溫度下的快速和大量強化是由調幅分解引起的，這是一種迄今為止尚未報道的鎂及其合金的強化機制。這種在低溫下的調幅分解為 BCC MgLiAl 合金的廣泛工程應用提供了一種經濟有效的方法。

圖 1A顯示了 BCC β 相 LA147 單軸壓縮微柱在標準固溶處理和水淬后顯著的環境溫度流動行為。對于大于 2 μm 的柱子直徑，屈服強度似乎存在尺寸不變性，結果值在 620 至 640 MPa 范圍內。該臨界直徑小于其他鎂合金報道的~3.5 μm 。圖 S1 顯示了典型的 4 μm 直徑支柱變形后的表面形態。LA147的超低密度（1.32 g/cm 3 ）和高屈服強度的結合產生了 470 至 500 kN m kg -1的比強度，幾乎超過了所有已知的工程合金（圖 1B））。

圖 1 LA147 的機械性能。

（A）不同直徑的 LA147 淬火微柱的壓縮工程應變-應力曲線和相同合金的 5 mm 拉伸樣品的拉伸應變-應力曲線。（ B ） LA147 與一系列著名的高強度合金之間的比屈服強度比較。這些材料包括Mg2Zn（12），Mg10Al（12），TZAM6620（20），納米結構化MgCuY合金（54），硬鋁（55），Al-Li合金2050（56），納米結構化的Al合金（54），Ti6Al4V表面（20） , Inconel 718 （ 57 ），層狀鎳鐵鈷合金（ 58 ）， TWIP 鋼（59）、雙相鋼（ 57）、馬氏體鋼（ 57）、馬氏體時效鋼（ 57）、TRIP鋼（ 57）和Ti50Ni47Fe3合金（ 60）。圈出的兩種材料是通過更奇特的濺射沉積途徑以薄膜形式生產的。

圖2 水淬LA147低溫APT結果與相場模擬對比。

（ A ）重建的 APT 體積，顯示分布在 BCC β 相（品紅色相）內的富鋁區（藍相）（用 6% 鋁等值面繪制）。（ B ） LA147 和一系列旋節線合金的時間溫度轉變圖。（C）（A）中提取的富鋁區的底視圖，顯示了經典旋節線的特征形態和晶體特征。（D和E）分別從 APT 數據和相場模擬生成的成分圖。（ F和G ） Mg、Li 和 Al 分別通過（D）和（E）中的富鋁區的一維濃度分布。

圖3 鎂基二元固溶體的熱力學和電子性質。

（ A ）體心立方 Mg-Al/Li 固溶體中不同溫度下的形成能曲線。（ B、C和E ） Mg 65 Al 35和 Mg 65 Li 35固溶體的角動量投影態密度分別為s帶、p帶和全部。（ D ） Mg 65 Li 35和Mg 65 Al 35中Mg-溶質、溶質-溶質和Mg-Mg對<-COHP>的平均值。

圖 4 LA147 相變的原位同步加速器 XRD 和相場模擬。

（ A ）自然時效過程中淬火后 LA147 的 XRD 數據集：q = 4πsinθ/λ s，其中 θ 是入射光束和散射光束之間的半散射角，λ s是入射 X 射線的波長。（ B ）相位場模擬和實驗觀察到的波長的旋節線數據，λ，作為自然老化時間的函數（t * 表示無量綱時間）。λ = λ 0在t 0 = 0 min 表示對應于淬火后不久實驗獲得的值的波長。主要有幾個階段：I，孵化；二、快速增長；和 III，平衡。（ C）作為自然時效時間和（ D ）相應顯微結構演變的函數的富鋁區域內的模擬結構順序參數。有序參數的范圍從 0 到 1，表示完全無序的固溶體演化為完全有序的 D0 3 -Mg 3 Al 相。（D）中的數字是圖的一部分。

圖 5 LA147 塑性變形的分子動力學。

（A）具有和不具有富鋁區域的模擬樣品體積的配置。（ B ）位錯密度的變化作為（A）中所示樣品體積的應用應變的函數。（ C ）應變為 7% 時模擬樣品體積內的位錯網絡。

總之，我們報告了一種基于詳細的形態學、化學和晶體學證據，通過以前未知的機制強化的超輕鎂合金。實驗數據與調幅分解的熱力學預測完全一致，并結合從基于物理的模型、從頭算、分子動力學和 PFS 產生的證據。回旋強化與 MgLiAl 基合金固有的低密度相結合，創造了一種材料，其特定強度超過任何其他報道的工程合金。這里的結果也可能適用于許多其他未開發的 Mg-Li 基合金系統。

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