西安交大重磅《Nature 》子刊:金属镁变形塑性恢复及内在机制取得重大进展!
2022-02-28 13:31:23 作者:材料学网 来源:材料学网 分享至:

导读:镁是最轻的结构金属,当沿其结晶c轴(镁的“硬”取向)压缩时,通常表现出有限的可塑性。本文报道了亚微米镁单晶在c轴压缩中通过双阶段变形获得的大塑性。当塑性流动逐渐将镁晶体应变硬化到千兆帕斯卡水平时,此时位错介导的塑性几乎耗尽,样品立即变成饼而没有断裂,伴随着初始单晶转化为大致共享一个共同的旋转轴。新晶粒可以通过锥体向基面的转变而形成。我们将这种晶粒形成归类为“变形晶粒”。新晶粒的形成使大量位错滑移和变形孪晶恢复活力,从而产生大的塑性应变。


众所周知,金属材料在塑性变形时一般会发生加工硬化现象,即随着变形量的增加,材料内部缺陷和损伤逐步累积,流变应力不断增加。当硬化到一定程度时,材料将不具备继续塑性变形的能力,最终发生断裂。对于金属镁而言,其沿晶体学<c>轴压缩时加工硬化十分明显,塑性变形量一般仅在5%-10%左右。


近年来,轻质镁及其合金因其在节能减排方面的潜在应用而备受关注。就机械性能而言,Mg 的一个主要缺点是沿其c轴(六方密排 (HCP) 结构的 [0001] 方向)压缩时的有限塑性。不幸的是,在 Mg 的锻造加工过程中经常会遇到沿这种“硬” c轴的压缩,因为在加工过程中会形成基底织构,将大多数晶粒定向到c轴压缩. 因此,Mg 在c轴压缩中的塑性变形能力和潜在机制是非常令人感兴趣的。低c轴塑性可归因于激活锥体位错所需的高临界分辨剪切应力 (CRSS)以及收缩孪晶,促进应变局部化和裂纹成核。


针对镁的塑性变形行为和内在机制,西安交通大学单智伟教授和合肥工业大学、美国麻省理工大学等国内外顶尖高校发现了高应力下c轴压缩中 Mg 晶体的塑性变形机制,即变形晶粒 (DG) 。令人意想不到的是,随着加工硬化的不断加剧,原本认为塑性已消耗殆尽的样品并没有断裂失效。当流变应力升高到1 GPa水平时,样品突然被压为扁平状,且没有裂纹产生。此外,被压扁的样品已不再是单晶,而是由多个具有共<a>轴取向关系的小晶粒组成,小晶粒内部有大量的基面和非基面位错。相关研究成果以题“Rejuvenation of plasticity via deformation graining in magnesium”发表在国际著名期刊Nature communications上。西安交通大学刘博宇教授为本论文的第一作者,西安交通大学单智伟教授为第一通讯作者,西安交通大学马恩教授、美国麻省理工学院李巨教授、合肥工业大学张真教授(共同一作)为共同通讯作者。参与该工作的还包括西安交通大学博士研究生刘飞和杨楠、内华达大学李斌教授、吉林大学陈鹏教授、中国科学技术大学王宇教授和江苏科技大学彭金华博士。西安交通大学金属强度国家重点实验室为第一通讯单位。该研究得到了国家自然科学基金委、111计划2.0、西安交大青年拔尖人才计划等项目的资助。


论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-022-28688-9#Sec14

640?wx_fmt=png&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1.jpg

柱轴向为c轴。柱体首先均匀变形至36.7%,应变硬化明显。这一阶段的塑性变形主要由位错滑移介导,位错密度不断增加。这一阶段未发现变形孪晶。应力-应变曲线中的载荷下降与位错的形成和快速扩展相对应。应力达到~1.0 GPa后,在柱的右下角形成了新晶粒的特征(图1c)。这个特征比它周围的区域表现出更轻的对比,表明内部的缺陷密度更低。在该特征附近的右表面稍微凸出,如黑色箭头所示,表明伴随的应变被自由表面所松弛。然后,暗对比出现并在该区域蔓延(图1d),表明内部存在位错或孪生活动。不久,矿柱突然塌陷,承受着巨大的应变,爆破~19.7%。压平后试样高度最大降低约56.4%,未见裂纹或断裂。在这种剧烈应变爆发之后,继续压缩可以进一步降低高度。这种沿c轴的大塑性和两阶段变形行为(均匀变形后突然平压)是可重现的。如图1、表2所示。这些亚微米镁柱的塑性应变是显著的,与一般c轴压缩应变<7%的大块镁单晶形成了鲜明的对比

640?wx_fmt=png&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1.jpg

图 1:亚微米镁单晶柱在c轴压缩下均匀变形,然后在应变爆发中变平。压缩前的初始支柱。插图六边形晶胞显示加载方向。观察方向,。b位错的形成和运动。c在柱子的右下角形成了一个新的颗粒(白色箭头)。d新晶粒中出现暗对比,表明内部有错位或孪晶活动。e柱子突然变平。f从展平样品中获得的选定区域衍射图案。g显示两阶段塑性变形的相应应力-应变曲线

640?wx_fmt=png&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1.jpg

图 2:新形成的晶粒包含高密度位错。

640?wx_fmt=png&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1.jpg

图 3:新晶粒的生长和收缩。

640?wx_fmt=png&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1.jpg

图 4:c轴压缩过程中形成的新晶粒的晶界原子结构。

640?wx_fmt=png&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1.jpg

图 5:c轴压缩过程中形成的纳米级新晶粒核的边界结构。


总之,目前的工作揭示了一种现象,即“变形晶粒”,它有可能在适当的活化条件下提高 Mg 的塑性。这在散装材料中是否可行仍有待探索,但文献中暗示 DG 可能在一些不寻常的观察中发挥了作用。一种情况是在变形镁合金中发现的一些不寻常的错误取向关系,不能根据已知的孪晶系统明确分类,这表明其他潜在的 DG 模式。另一个是当 Mg 合金进行“快速轧制” 39时,轧制能力显着提高。,其中施加的应力预计远高于正常轧制速度下的应力。在这种情况下,DG 可能在高于正常的滚动应变下启用。我们的结果可能还有另一个含义:如果 Mg(以及可能的其他 HCP 金属)在高应力条件下(例如在小尺寸样品或由纳米晶粒制成的样品中,或在高应变率(如快速轧制或冲击条件)下加工) ,通常较差的c轴塑性可以通过激活额外的塑性变形模式来克服,这可以恢复否则会耗尽的位错活动,即使在施加的载荷从最硬的方向开始时也是如此。一般来说,DG机制在块状材料中的激活程度,以及它对机械性能、微观结构演变和加工性能的可能影响值得进一步探索。

免责声明:本网站所转载的文字、图片与视频资料版权归原创作者所有,如果涉及侵权,请第一时间联系本网删除。