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南工大《Scripta Mater》：鎂合金固溶原子介導(dǎo)的Hall-Petch方程！

2022-06-16 17:06:58 作者：材料科學(xué)與工程來源：材料科學(xué)與工程分享至：

鎂（Mg）及其合金一直被認(rèn)為是汽車和航空航天工業(yè)中理想的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，晶粒細(xì)化已被證明是一種非常有效的強(qiáng)化方法，與晶粒強(qiáng)化相關(guān)的Hall-Petch方程，其中斜率k可以反映晶界強(qiáng)化的效率。研究表明，k值隨固溶含量單調(diào)增加，并且任何限制多次滑移的硬化形式都會(huì)增加k值。同樣固溶原子的類型極大地影響了Mg合金的微觀結(jié)構(gòu)、織構(gòu)和力學(xué)性能。例如稀土元素會(huì)對Mg合金的變形模式造成不同的固溶強(qiáng)化效果。雖然不同固溶原子的加入可能會(huì)改變織構(gòu)、基面滑移與非基面滑移的CRSS比值以及變形機(jī)理，但不同固溶元素對Mg合金的Hall-Petch關(guān)系的研究尚不多見。

南京工業(yè)大學(xué)的研究人員通過定量計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，揭示了Hall-Petch關(guān)系的固溶元素依賴性機(jī)制。相關(guān)論文以題為“Solute atom mediated Hall-Petch relations for magnesium binary alloys”發(fā)表在Scripta Materialia。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.114451

圖1 室溫下沿ED壓縮的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線：（a） Mg-Al;（b） Mg-Zn;（c） Mg-Y;（d） Mg-Gd。

圖2 Mg-Y、Mg-Gd、Mg-Al和Mg-Zn合金在壓縮過程中的屈服應(yīng)力與晶粒尺寸的關(guān)系。

圖3 （a）Mg-Al;（b）Mg-Zn;（c）Mg-Y和（d）Mg-Gd的極值圖。

圖4 （a）Mg-Al;（b）Mg-Zn;（c）Mg-Y和（d）Mg-Gd的邊界錯(cuò)位。紅線表示{10-12}孿晶晶界。

EBSD極圖顯示Mg-Y和Mg-Gd的織構(gòu)明顯不同于Mg-Al和Mg-Zn。Mg-Al和Mg-Zn的基面極點(diǎn)主要垂直于ED，而Mg-Y和Mg-Gd的基面極點(diǎn)則在距離ED約40-75°的環(huán)空中散射分布。鎂合金的變形行為與其織構(gòu)密切相關(guān)。四種合金經(jīng)2%壓縮后的形變組織顯示Mg-Al和Mg-Zn中{10-12}孿晶所占比例較高，而Mg-Y和Mg-Gd中{10-12}孿晶所占比例較低。即在Mg-Zn和Mg-Al中，{10-12}孿晶是主要的變形方式，而在Mg-Y和Mg-Gd中，除{10-12}孿晶外，還存在大量位錯(cuò)滑移。

四種合金之間主要變形模式之間的差異是否與Hall-Petch中的k值差異有關(guān)呢？已有研究表明，基面滑移主要變形的k （155 MPa·μm1/2）遠(yuǎn)低于{10-12}孿晶k（223 MPa·μm1/2），因此，較高比例的基底面滑移激活會(huì)降低k值。此外，激活較高比例的基面滑移將導(dǎo)致其與孿晶之間更強(qiáng)的相互作用。基面滑移的激活可以有效地觸發(fā)晶粒內(nèi)或相鄰晶粒的形成孿晶。一般情況下，當(dāng)基面位錯(cuò)滑到孿晶界時(shí)，基面位錯(cuò)會(huì)解離為孿生位錯(cuò)和殘余位錯(cuò)。隨著基面位錯(cuò)和解離的不斷進(jìn)行，其在晶界處的堆積將有效地促進(jìn)該晶內(nèi)或相鄰晶內(nèi)孿晶的形核。因此，晶粒中的基面滑移能夠促進(jìn)晶粒相鄰孿晶變形。即同一晶粒內(nèi)基面滑移容易的變形傳遞到相鄰晶粒內(nèi){10-12}孿晶，因此k值較低。

總而言之，沿?cái)D壓方向壓縮Mg-Y （220MPa·μm1/2）和Mg-Gd （285MPa·μm1/2）的Hall-Petch斜率k較Mg-Al （324MPa·μm1/2）和Mg-Zn （322MPa·μm1/2）低。Zn或Al的加入形成了更強(qiáng)的基面織構(gòu)，在擠壓方向的壓縮下，{10-12}孿晶變形為主要的變形方式。相反，Gd或Y的加入會(huì)使織構(gòu)變?nèi)酰虼藍(lán)10-12}孿晶和基面滑都被廣泛激活。基面滑移較低的k值以及基面滑移對{10-12}孿晶活化的作用導(dǎo)致Mg-Y和Mg-Gd的k值較低。

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