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《Science Advances》：一種新型超輕、高強鎂合金！

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

專家評語：作者在Mg-14Li-7Al（LA147, wt.%）合金中發現一種低溫下的超快速調幅分解過程，可導致一種通常僅在鋼中存在的獨特的微觀結構。

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

背景介紹及亮點

對于金屬和合金來說，位錯是塑性的有效載體，任何阻礙位錯運動（滑移和攀移）的微觀結構都需要更大的塑性變形應力。也就是說，微觀結構對位錯運動的阻力越大，合金的屈服強度就越高。低密度合金是一種重要的結構材料，通過微觀結構設計能夠同時獲得高的屈服強度，從而可滿足航空航天、地面運輸、生物醫學和電子行業等對輕量化的要求。

鎂合金為密排六方結構（HCP），是目前工程應用中最輕的金屬結構材料。鎂合金的強化方式有應力加工、晶粒細化、變形孿晶以及合金化等。但到目前為止，阻礙位錯運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現合金的強化。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構（HCP）轉變為體心立方結構（BCC），從而可改變鎂合金的許多重要行為，如位錯運動和滑移系統的改變，進而導致合金屈服強度、加工硬化、延展性、織構發展等方面的差異。本文報道了一種體心立方Mg-14Li-7Al（wt.%）鎂合金（LA147），其比強度可達～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，并結合原位結構分析、相場法模擬、分子動力學和第一性原理計算、物理建模等研究方法證明了LA147鎂合金的高比強度是由調幅分解引起的，這是一種迄今為止尚未報道過的鎂及鎂合金強化機制。

圖文解析

圖1. LA147鎂合金的力學性能。

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

（B） LA147 鎂合金與一系列高強度合金的比強度對比。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[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LA147鎂合金低溫APT結果與相場模擬結果對比。

（A）構建的 APT微柱，顯示了分布在BCC結構β相（紅色相）內的富Al區（藍色相）（通過6 at.%鋁等值面繪制）。

（B） LA147鎂合金和一系列調幅分解合金的時間溫度轉變圖。

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

（D）和（E）分別由 APT 數據和相場模擬結果生成的成分圖。

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

圖3. 鎂基二元固溶體的熱力學和電子特性。

（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、溶質-溶質以及Mg-Mg的<-COHP>平均值。

圖 4. LA147鎂合金相變的原位同步XRD分析和相場模擬結果。

（A）淬火態LA147鎂合金自然時效過程中的 XRD 數據：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）相場模擬和實驗觀察到的調幅波長（λ），λ可作為自然時效的時間函數（t* 表示無量綱時間）。在t0=0 min時，λ = λ0對應于淬火不久后實驗所獲得的波長值。主要有3個階段：I、平滑區；II、快速增長區；III、平衡區。

（C）隨自然時效時間變化的富Al區結構有序參數。

（D）對應的組織演變過程。

有序參數的范圍從0到1，表示完全無序的固溶體演變為完全有序的D03-Mg3Al相。其中圖（D）中的數字是圖S9的一部分。

圖 5. LA147 鎂合金塑性變形的分子動力學。

（A）具有和不具有富Al區模擬試樣的三維立體結構。

（B）位錯密度隨圖（A）中試樣體積應變的變化。

（C）應變為7%時模擬試樣內的位錯網絡。

總結與展望

本文提出了一種鎂合金強化機制新理論，即調幅分解強化機制。并結合Li合金化和調幅分解強化機制成功研發出了一種新型超輕、高比強度LA147鎂合金新材料。同時，采用低溫APT、相場模擬、分子動力學計算等技術，為這種調幅分解強化機制提供了詳細的形態學、化學、晶體學等理論依據。該調幅分解強化機制對于制備和開發新型輕質高強鎂合金材料具有重要意義。

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