重大突破！九校联合发表《Science》子刊！发现新强化机制！制备超高比强度镁合金！

2021-06-04 15:44:10 作者：材料学网来源：材料学网分享至：

导读：众所周知，镁（Mg）的强化是通过位错积累、晶粒细化、变形孪晶以及溶质原子或纳米级析出物对织构的控制或位错钉扎来实现的。这些模式产生的屈服强度可与其他工程合金（如某些牌号的铝）相比，但低于高强度的铝、钛合金和钢。本文报告了一个调幅分解强化超轻镁合金的特定屈服强度超过几乎所有其他工程合金。我们为调幅分解提供了引人注目的形态学、化学、结构和热力学证据，并表明在调幅区和基体之间的弥散过渡区的晶格失配是提高这类合金屈服强度的主要因素

在结晶金属和合金中，位错是塑性的最有效载体，任何阻碍其滑动、交叉滑移和攀爬能力的微观结构特征都需要更高的塑性（永久）变形应力。简单地说，对位错运动的抵抗力越大，金属的屈服强度就越高。在航空航天、地面运输、生物医学和电子行业要求轻量化的应用中，低密度合金是重要的结构材料，可以通过微观结构设计成高屈服强度。六角密堆积（HCP）镁（Mg）合金是所有工程金属中最轻的，因此，即使是中等屈服强度的合金，如果考虑到其他吸引人的性能，在许多结构应用中都是非常吸引人的材料。

Mg 可以通过应变硬化、晶粒细化、变形孪晶和晶体织构控制等经典机制进行强化，但迄今为止，这是提高抗位错运动能力的最有效方法是通过与第二种成分形成合金，形成纳米级沉淀物的固溶体或分散体来实现的。通过将 Mg 与锂（Li）和钪（Sc）选择性合金化，HCP 结构转变为体心立方（BCC），进而改变许多关键行为，如位错动力学和操作滑移系统，导致屈服和加工硬化行为、延展性、织构发展等方面的差异。锂的极低密度（0.57 g/cm 3 ）使得它是一种特别有吸引力的合金添加剂，如 MgLi 基 BCC 合金所示，其中高达 300 kN m kg -1 的比强度与良好的室温延展性和耐腐蚀性相结合是可能的。

在这里，清华大学李晓燕教授联合北京科技大学、日本大阪大学、美国宾尼法尼亚大学等九所国际顶级科研机构报告了一种 BCC β 相 Mg-14Li-7Al 合金（LA147），其产生的比屈服强度约为 350 kN m kg -1，几乎超过了所有其他工程合金。相关研究成果以题“Ultrahigh specific strength in a magnesium alloy strengthened by spinodal decomposition”发表在国际顶级期Science advances上。

论文链接：

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

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该 BCC MgLiAl 系统的强化行为与其他镁合金不同，因为该合金在从固溶温度进行水淬后立即达到其峰值强度。而淬火强化常用于许多类型的钢的情况发生时，与奥氏体到马氏体的转变nondiffusional相关联的现象，这种类型的转化在高于室温的温度。为了揭示 BCC MgLiAl 合金的强化机制，我们在这里采用了一种强大的新低温制备方法，用于原子探针断层扫描（APT），结合非原位和原位结构分析技术，以及第一性原理、相场和物理-基于建模以生成确凿的形态学、化学、晶体学和热力学证据，证明环境温度下的快速和大量强化是由调幅分解引起的，这是一种迄今为止尚未报道的镁及其合金的强化机制。这种在低温下的调幅分解为 BCC MgLiAl 合金的广泛工程应用提供了一种经济有效的方法。

图 1A显示了 BCC β 相 LA147 单轴压缩微柱在标准固溶处理和水淬后显着的环境温度流动行为。对于大于 2 μm 的柱子直径，屈服强度似乎存在尺寸不变性，结果值在 620 至 640 MPa 范围内。该临界直径小于其他镁合金报道的~3.5 μm 。图 S1 显示了典型的 4 μm 直径支柱变形后的表面形态。LA147的超低密度（1.32 g/cm 3 ）和高屈服强度的结合产生了 470 至 500 kN m kg -1的比强度，几乎超过了所有已知的工程合金（图 1B））。

图 1 LA147 的机械性能。

（A）不同直径的 LA147 淬火微柱的压缩工程应变-应力曲线和相同合金的 5 mm 拉伸样品的拉伸应变-应力曲线。（ B ） LA147 与一系列著名的高强度合金之间的比屈服强度比较。这些材料包括Mg2Zn（12），Mg10Al（12），TZAM6620（20），纳米结构化MgCuY合金（54），硬铝（55），Al-Li合金2050（56），纳米结构化的Al合金（54），Ti6Al4V表面（20） , Inconel 718 （ 57 ），层状镍铁钴合金（ 58 ）， TWIP 钢（59）、双相钢（ 57）、马氏体钢（ 57）、马氏体时效钢（ 57）、TRIP钢（ 57）和Ti50Ni47Fe3合金（ 60）。圈出的两种材料是通过更奇特的溅射沉积途径以薄膜形式生产的。

图2 水淬LA147低温APT结果与相场模拟对比。

（ A ）重建的 APT 体积，显示分布在 BCC β 相（品红色相）内的富铝区（蓝相）（用 6% 铝等值面绘制）。（ B ） LA147 和一系列旋节线合金的时间温度转变图。（C）（A）中提取的富铝区的底视图，显示了经典旋节线的特征形态和晶体特征。（D和E）分别从 APT 数据和相场模拟生成的成分图。（ F和G ） Mg、Li 和 Al 分别通过（D）和（E）中的富铝区的一维浓度分布。

图3 镁基二元固溶体的热力学和电子性质。

（ A ）体心立方 Mg-Al/Li 固溶体中不同温度下的形成能曲线。（ B、C和E ） Mg 65 Al 35和 Mg 65 Li 35固溶体的角动量投影态密度分别为s带、p带和全部。（ D ） Mg 65 Li 35和Mg 65 Al 35中Mg-溶质、溶质-溶质和Mg-Mg对<-COHP>的平均值。

图 4 LA147 相变的原位同步加速器 XRD 和相场模拟。

（ A ）自然时效过程中淬火后 LA147 的 XRD 数据集：q = 4πsinθ/λ s，其中 θ 是入射光束和散射光束之间的半散射角，λ s是入射 X 射线的波长。（ B ）相位场模拟和实验观察到的波长的旋节线数据，λ，作为自然老化时间的函数（t * 表示无量纲时间）。λ = λ 0在t 0 = 0 min 表示对应于淬火后不久实验获得的值的波长。主要有几个阶段：I，孵化；二、快速增长；和 III，平衡。（ C）作为自然时效时间和（ D ）相应显微结构演变的函数的富铝区域内的模拟结构顺序参数。有序参数的范围从 0 到 1，表示完全无序的固溶体演化为完全有序的 D0 3 -Mg 3 Al 相。（D）中的数字是图的一部分。

图 5 LA147 塑性变形的分子动力学。

（A）具有和不具有富铝区域的模拟样品体积的配置。（ B ）位错密度的变化作为（A）中所示样品体积的应用应变的函数。（ C ）应变为 7% 时模拟样品体积内的位错网络。

总之，我们报告了一种基于详细的形态学、化学和晶体学证据，通过以前未知的机制强化的超轻镁合金。实验数据与调幅分解的热力学预测完全一致，并结合从基于物理的模型、从头算、分子动力学和 PFS 产生的证据。回旋强化与 MgLiAl 基合金固有的低密度相结合，创造了一种材料，其特定强度超过任何其他报道的工程合金。这里的结果也可能适用于许多其他未开发的 Mg-Li 基合金系统。

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