大阪大学《Acta》:极高屈服强度!开发有序纳米板镁单晶

导读:含有长周期有序(LPSO)相的Mg-Zn-Y三元合金具有优异的机械性能,这是从作为强化阶段的LPSO相开始的。Mg99.2 Zn0.2 Y0.6单晶(基体Mg固溶体)的屈服应力与LPSO单相合金的屈服应力几乎相同,这归因于薄的类似堆垛层错缺陷的形成,称为“ LPSO纳米板”。发现在Mg99.2Zn0.2Y0.6中,与LPSO相在变形过程中相同的方式诱导了扭结带的形成,导致了高强度的同时提高了塑性。
为了克服与全球变暖相关的问题,对新型轻质结构材料的开发的需求越来越大。镁合金是解决这些问题的潜在候选材料。然而,扩大镁合金在许多领域的应用存在严重的缺陷,特别是其强度不足和耐蚀性低。商业铸造Mg合金在室温下表现出低的拉伸屈服强度(约100-250 MPa)和有限的延性(伸长率:3%-15%)。为了改善这些性能,最近,含有长周期堆垛有序(LPSO)相的Mg合金受到关注。
已知在Mg-Zn-Y三元合金中会形成LPSO相。在具有Mg 97 Zn 1 Y 2的典型Mg / LPSO两相合金中,LPSO相的成分约为Mg-5at%Zn-7at%Y 。LPSO相中的Y / Zn原子周期性地分离成四个紧密堆垛平面的特定层,在这些特定堆垛层中存在面心立方(fcc)堆积缺陷。日本科学家首先报道了一种快速凝固的Mg / LPSO两相合金,其成分为Mg 97 Zn 1 Y 2,其中包含〜24 vol%的LPSO相,在保持〜5%伸长率的同时表现出〜600 MPa的极高屈服应力。此外,通过更简单的工艺制造的挤压合金可以获得约400 MPa的高极限抗拉强度。结果表明,LPSO相的塑性变形行为具有很强的各向异性。基体滑移可以在LPSO阶段发生,类似于Mg,并伴随着低屈服应力。但平行于基面施加应力时,屈服应力较大,与Mg不同;这是由于LPSO结构复杂,不允许形变孪晶的形成
最近,人们发现,所形成的扭结带有效的障碍位错的运动,有助于加强LPSO相(扭结带加强)。相反,Mg / LPSO两相合金中基体Mg相的机械性能并未受到研究人员的广泛关注。Mg基体相的组成约为Mg–0.2at%Zn–0.6at%Y。一些研究人员使用单晶研究了Mg–Y和Mg–Zn二元合金的力学性能。但是,到目前为止,Zn和Y的共添加对机械性能的影响尚未引起人们的广泛关注。
在这项研究中,日本大阪大学KojiHagihara教授团队使用了通过定向凝固制备的单晶来确定协同Zn和Y的添加作用。我们发现,Mg固溶体的机械性能与纯Mg完全不同,并且与LPSO相的机械性能相似,此外,作者还讨论了屈服应力急剧增加的起因。相关研究成果以题“Surprising increase in yield stress of Mg single crystal using long-period stacking ordered nanoplates”发表在金属顶刊Acta materialia上。论文链接;https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116797

大阪大学《Acta》:极高屈服强度!开发有序纳米板镁单晶在通过布里奇曼方法生长的Mg 99.2 Zn 0.2 Y 0.6单晶中,平行于基面形成了大量的像堆垛层错的板状缺陷,称为LPSO纳米板。Mg 99.2 Zn 0.2 Y 0.6的屈服应力比纯Mg的屈服应力在许多加载方向上异常增加,这是由于存在LPSO纳米板而导致基体滑移不起作用的。令人惊讶的是,屈服应力显示出与LPSO单相合金几乎相同的值。


大阪大学《Acta》:极高屈服强度!开发有序纳米板镁单晶图1。(a)刚生长的定向凝固合金的SEM图像。(b)亮场TEM图像,显示了刚生长的合金的微观结构。(c)对应的HAADF-STEM图像。插图显示了更高放大率的图像。Zn / Y原子沿四个存在fcc型堆垛层错的原子层隔离。(d,e)TEM图显示了由于热处理引起的微观结构变化:(d)图1(b)中的样品在520°C退火5 h,然后水淬,而(e)图5中的样品。将1(d)在400℃下进一步退火5小时。(f)沿TEM中[0001]测得的根据热处理的每1μmLPSO纳米板的数量及其平均厚度的变化。。
使用含有高密度LPSO纳米板的生长态单晶,通过压缩测试表征了机械性能。图2(a)显示了在四个加载方向上屈服(断裂)应力的温度依赖性,屈服应力显示出对取向的强烈依赖性。在[1 1-2]取向[1.85],并且在400°C时略微降低至7 MPa。在[01-10]和[11-20]方向。屈服应力在[11-20]方向比[01-10]方向,并且随着温度在两个方向上的增加而适度降低。在[0001]方向上测得了> 350 MPa的极高强度,但所有试样均在屈服之前断裂大阪大学《Acta》:极高屈服强度!开发有序纳米板镁单晶图2。(a)在四个加载方向上生长的Mg 99.2 Zn 0.2 Y 0.6单晶的屈服应力的温度依赖性。参考文献中报道的纯镁单晶的屈服应力。[32]和在这项研究中测得的结果也以灰色标出,以作比较。(b,c)典型的应力-应变曲线在(b)RT和(c)300°C下在四个不同的载荷方向上发生了变形。
大阪大学《Acta》:极高屈服强度!开发有序纳米板镁单晶图3 OM图像显示了试样在RT变形时的变形轨迹。
大阪大学《Acta》:极高屈服强度!开发有序纳米板镁单晶大阪大学《Acta》:极高屈服强度!开发有序纳米板镁单晶图4 宏观图显示了变形微观结构随温度的变化。所示温度下的加载方向约为5%的塑性应变。图中示出了观察中的侧面的米勒指数。
LPSO纳米片强烈阻止了Mg99.2Zn0.2Y0.6单晶的变形孪晶形成。相反,变形扭结带的形成承载了应变,导致高屈服应力和大的延展性。

大阪大学《Acta》:极高屈服强度!开发有序纳米板镁单晶图5 (a,b)在[11-20]中变形的试样的变形微观结构的晶体取向。(c,d)分别在图5(a)和(b)周围的区域中测得的,相对于基体(未变形区域)的变形带中的晶体旋转角的分布。(e)在[01-10]侧面。(f)与图5(e)相同的区域,但图中的颜色表示沿加载轴的晶体取向,以便区分变形孪晶和变形扭结带的取向颜色。(g)在图5(e)附近的区域中的晶体旋转角的分布。图1和2的条形图的颜色。5(c),(d)和(g)表示测得的条带的晶体旋转轴:蓝色:偏差角公差为10°。(h)示出了变形带中的晶体旋转角和晶体旋转轴的定义的示意图。

大阪大学《Acta》:极高屈服强度!开发有序纳米板镁单晶图6 (a)在[11-20]中变形的试样中引入的变形扭结带的明场TEM图像(b)扭结带的高倍放大图像。(c–f)在图6(b)中所示的A–D点处拍摄的SAED模式
综上所述,必须根据微观组织重新考虑Mg / LPSO两相合金的强化机理。此外,“ LPSO纳米板强化”技术具有开发出具有极低Zn和Y含量的新型超高强度Mg合金的巨大潜力。

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页面更新:2024-05-05

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