雙重壓縮納米孿晶構(gòu)筑高強(qiáng)度高延展性鎂合金！

 

　　鎂合金由于其質(zhì)量小，比強(qiáng)度高，可鑄性等特性受到了大量的關(guān)注。然而，兩個(gè)致命的問(wèn)題限制了其發(fā)展——常溫下相對(duì)強(qiáng)度低和冷加工性差。到目前為止，由于孿晶界面的不穩(wěn)定性和孿晶端部的應(yīng)力集中作用，人們認(rèn)為要得到兼顧強(qiáng)度與延展性的鎂合金是幾乎不可能的。然而，燕山大學(xué)的彭秋明課題組卻設(shè)計(jì)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(qiáng)度又有高延展性的鎂-鋰合金，大大拓展了其應(yīng)用范圍。

 

　　【成果簡(jiǎn)介】

 

　　近日，燕山大學(xué)的彭秋明教授課題組采用簡(jiǎn)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(jié)構(gòu)的鎂-鋰合金材料(8 wt% Li)。采用晶粒細(xì)化和沉積增強(qiáng)測(cè)策略得到的雙重壓縮納米孿晶結(jié)構(gòu)不僅克服了孿晶界的增厚，還抑制了位錯(cuò)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(qiáng)度，將會(huì)拓展鎂合金應(yīng)用領(lǐng)域和推動(dòng)鎂合金工業(yè)的發(fā)展。該成果發(fā)表于Nano Letters: “Achieving High Strength and Ductility in Magnesium Alloys via Densely Hierarchical Double Contraction Nanotwins”.

 

　　【圖文導(dǎo)讀】

 

　　部分名詞說(shuō)明(下同)：

 

　　Mg-8Li為鋰的質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(jié)構(gòu)，NTW為納米孿晶。

 

　　圖1：Mg-8Li的機(jī)械性能

 

　　

 

 

 

　　不同條件下制備的Mg-8Li合金

 

　　(a)顯微硬度曲線(xiàn);

 

　　(b)不同壓力下樣品的應(yīng)力拉伸曲線(xiàn);

 

　　(c)通過(guò)不同的方法技術(shù)(延展法，擠出法，等通道轉(zhuǎn)角擠壓技術(shù)，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(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率;

 

　　(d)M-8Li與商業(yè)化鎂合金比屈服強(qiáng)度對(duì)比。

 

　　圖2：6 GPa−1000 Mg−8Li的微觀結(jié)構(gòu)

 

　　

 

 

 

　　(a)明場(chǎng)透射電鏡圖;

 

　　(b)小角度晶界選區(qū)電子衍射花樣;

 

　　(c)分層{101?1}−{101?1}DCTWs結(jié)構(gòu)示意圖;

 

　　(d){101?0} NTWs的放大圖，內(nèi)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(qū)電子衍射花樣;

 

　　(f)沿著[12?13?]方向的NTW界面的選區(qū)電子衍射花樣。

 

　　圖3：{101?1}−{101?1} DCTWs的微觀結(jié)構(gòu)

 

　　

 

 

 

　　(a)在6 GPa−1000 Mg−8Li合金分層{101?1}−{101?1} DCTWs 的明場(chǎng)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(xiàn)為MTW 界面的邊緣，MTW界面為白色虛線(xiàn);

 

　　(c)雙重孿晶過(guò)程c軸方向的兩種可能旋轉(zhuǎn)方式的示意圖。

 

　　圖4：DCTW邊界中納米級(jí)粒子的分離

 

　　

 

 

 

　　(a)沿[12?13?]方向觀察6 GPa−1000 Mg−8Li合金中DCTW結(jié)構(gòu)的環(huán)形暗場(chǎng)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(jī)30個(gè)粒子計(jì)算了黑色粒子的空間分布圖。

 

　　圖5： DCTWs邊界釘扎強(qiáng)化

 

　　

 

 

 

　　(a)共格納米級(jí)富Li的hcp相;

 

　　(b)沿著MTWs邊界共格生長(zhǎng)的富Li的hcp相;

 

　　(c)富Li的hcp相在連接區(qū)域的分離。

 

　　圖6：強(qiáng)化機(jī)理示意圖

 

　　

 

 

 

　　(a)通過(guò)在分層DCTW邊界阻止位錯(cuò)移動(dòng)來(lái)增強(qiáng)的兩種可能過(guò)程，(i)部分位錯(cuò)從晶界穿過(guò)到其他晶界或者孿晶界，(ii)部分位錯(cuò)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(dòng)和去孿晶化工程中阻止兩種可能的軟化過(guò)程，(i)孿晶界移動(dòng)聚集導(dǎo)致增厚，(ii)部分位錯(cuò)平行穿過(guò)到二次孿晶界，導(dǎo)致二次孿晶的去孿晶化。

 

　　【小結(jié)】

 

　　該研究通過(guò)晶粒細(xì)化和沉積增強(qiáng)的方法成功地形成了一種堆砌結(jié)構(gòu)的孿晶。該結(jié)構(gòu)可以有效地抑制位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，從而得到了一種具有高強(qiáng)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(guò)程，而且抑制了位錯(cuò)沿孿晶界的滑移，打破了傳統(tǒng)理論強(qiáng)度-延展性相互制約的矛盾。此研究結(jié)論，會(huì)大大拓展鎂合金應(yīng)用領(lǐng)域和推動(dòng)鎂合金工業(yè)的發(fā)展。

 

　　文獻(xiàn)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)