雙重壓縮納米孿晶構筑高強度高延展性鎂合金！

 

　　鎂合金由于其質量小，比強度高，可鑄性等特性受到了大量的關注。然而，兩個致命的問題限制了其發展——常溫下相對強度低和冷加工性差。到目前為止，由于孿晶界面的不穩定性和孿晶端部的應力集中作用，人們認為要得到兼顧強度與延展性的鎂合金是幾乎不可能的。然而，燕山大學的彭秋明課題組卻設計出了一種以{101?1}和{101?1}為主的雙重壓縮孿晶，得到了一種既有高強度又有高延展性的鎂-鋰合金，大大拓展了其應用范圍。

 

　　【成果簡介】

 

　　近日，燕山大學的彭秋明教授課題組采用簡單的一步超高壓法，合成了一種梯度分層且包含較好的雙重壓縮納米孿晶結構的鎂-鋰合金材料(8 wt% Li)。采用晶粒細化和沉積增強測策略得到的雙重壓縮納米孿晶結構不僅克服了孿晶界的增厚，還抑制了位錯在孿晶邊緣的滑移。此鎂-鋰合金在不明顯損失延展性的前提下，大大提高了其強度，將會拓展鎂合金應用領域和推動鎂合金工業的發展。該成果發表于Nano Letters: “Achieving High Strength and Ductility in Magnesium Alloys via Densely Hierarchical Double Contraction Nanotwins”.

 

　　【圖文導讀】

 

　　部分名詞說明(下同)：

 

　　Mg-8Li為鋰的質量分數為8%的鎂合金，6 GPa−1000為6GPa壓力下1000℃煅燒，TTWs為拉伸孿晶，CTWs為壓縮孿晶，DTWs為雙重孿晶，DCTWs為雙重壓縮孿晶，hpc為鎂合金的密排六方晶體結構，NTW為納米孿晶。

 

　　圖1：Mg-8Li的機械性能

 

　　

 

 

 

　　不同條件下制備的Mg-8Li合金

 

　　(a)顯微硬度曲線;

 

　　(b)不同壓力下樣品的應力拉伸曲線;

 

　　(c)通過不同的方法技術(延展法，擠出法，等通道轉角擠壓技術，老化)制備的Mg-Li合金和Mg-Li-X合金(X為合金元素)的屈服強度和斷裂伸長率;

 

　　(d)M-8Li與商業化鎂合金比屈服強度對比。

 

　　圖2：6 GPa−1000 Mg−8Li的微觀結構

 

　　

 

 

 

　　(a)明場透射電鏡圖;

 

　　(b)小角度晶界選區電子衍射花樣;

 

　　(c)分層{101?1}−{101?1}DCTWs結構示意圖;

 

　　(d){101?0} NTWs的放大圖，內部的圖為{101?0} NTWs的厚度分布;

 

　　(e)沿著[21?1?0]方向的NTW界面的選區電子衍射花樣;

 

　　(f)沿著[12?13?]方向的NTW界面的選區電子衍射花樣。

 

　　圖3：{101?1}−{101?1} DCTWs的微觀結構

 

　　

 

 

 

　　(a)在6 GPa−1000 Mg−8Li合金分層{101?1}−{101?1} DCTWs 的明場透射電鏡圖;

 

　　(b)在模塊a中的{101?1}−{101?1} DCTWs的局部高分辨透射電鏡圖，黃色線為MTW 界面的邊緣，MTW界面為白色虛線;

 

　　(c)雙重孿晶過程c軸方向的兩種可能旋轉方式的示意圖。

 

　　圖4：DCTW邊界中納米級粒子的分離

 

　　

 

 

 

　　(a)沿[12?13?]方向觀察6 GPa−1000 Mg−8Li合金中DCTW結構的環形暗場圖;

 

　　(b)局部高分辨圖;

 

　　(c)不同粒子的電子能量損失譜的maps;

 

　　(d)用隨機30個粒子計算了黑色粒子的空間分布圖。

 

　　圖5： DCTWs邊界釘扎強化

 

　　

 

 

 

　　(a)共格納米級富Li的hcp相;

 

　　(b)沿著MTWs邊界共格生長的富Li的hcp相;

 

　　(c)富Li的hcp相在連接區域的分離。

 

　　圖6：強化機理示意圖

 

　　

 

 

 

　　(a)通過在分層DCTW邊界阻止位錯移動來增強的兩種可能過程，(i)部分位錯從晶界穿過到其他晶界或者孿晶界，(ii)部分位錯從孿晶界穿到其他孿晶界或者晶界;

 

　　(b)在分層DCTW邊界-孿晶界面的移動和去孿晶化工程中阻止兩種可能的軟化過程，(i)孿晶界移動聚集導致增厚，(ii)部分位錯平行穿過到二次孿晶界，導致二次孿晶的去孿晶化。

 

　　【小結】

 

　　該研究通過晶粒細化和沉積增強的方法成功地形成了一種堆砌結構的孿晶。該結構可以有效地抑制位錯的運動，從而得到了一種具有高強度和高延展性的鎂合金材料。這種新型的hcp-型富含Li相的材料，不僅克服了孿晶界面的增厚過程，而且抑制了位錯沿孿晶界的滑移，打破了傳統理論強度-延展性相互制約的矛盾。此研究結論，會大大拓展鎂合金應用領域和推動鎂合金工業的發展。

 

　　文獻鏈接：Achieving High Strength and Ductility in Magnesium Alloys via Densely Hierarchical Double Contraction Nanotwins (Nano Letters, 2017, DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b02641)