北航《Acta Materialia》：超細(xì)晶純鎂的室溫及低溫力學(xué)行為重要進(jìn)展
2022-08-16 11:52:43
作者：材料科學(xué)與工程 來源：材料科學(xué)與工程
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鎂是密度最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，在航空航天、交通運(yùn)輸?shù)葴p重需求迫切領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，鎂具有密排六方晶體結(jié)構(gòu)，獨(dú)立的滑移系少，其室溫強(qiáng)度和塑性均較低。前期研究表明[Zheng et al. Acta Mater. 198 (2020) 35]，通過晶粒細(xì)化可實(shí)現(xiàn)純鎂室溫強(qiáng)度和塑性的協(xié)同提高，不過當(dāng)晶粒尺寸細(xì)化到超細(xì)晶范疇（d ＜1μm）時(shí)，其強(qiáng)度顯著降低但是塑性大幅提高至60%以上，展現(xiàn)出獨(dú)特的力學(xué)行為。
為了進(jìn)一步澄清超細(xì)晶純鎂的塑性變形行為，來自北京航空航天大學(xué)、日本原子能研究機(jī)構(gòu)、京都大學(xué)和大阪大學(xué)的研究人員利用先進(jìn)的原位中子衍射和電子顯微分析技術(shù)，系統(tǒng)研究了塊體超細(xì)晶純鎂在室溫和液氮溫度下的準(zhǔn)靜態(tài)拉伸變形行為。相關(guān)論文以“Rediscovery of Hall-Petch strengthening in bulk ultrafine grained pure Mg at cryogenic temperature: A combined in-situ neutron diffraction and electron microscopy study”為題發(fā)表在金屬材料領(lǐng)域頂級(jí)期刊Acta Materialia上。北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的鄭瑞曉副教授是論文的第一作者兼通訊作者，日本原子能研究機(jī)構(gòu)的龔武博士為論文的共同通訊作者。
論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645422006231
研究結(jié)果表明，超細(xì)晶樣品在室溫變形過程中幾乎沒有位錯(cuò)的累積，即使拉伸變形60%后依然能觀察到再結(jié)晶程度很高的等軸超細(xì)晶組織。與之相反，超細(xì)晶樣品在液氮溫度下展現(xiàn)出極高的屈服強(qiáng)度（309MPa）和抗拉強(qiáng)度（380MPa）。室溫下的軟化現(xiàn)象消失，超細(xì)晶樣品的屈服強(qiáng)度在液氮溫度下重新回歸Hall-Petch線性關(guān)系。進(jìn)一步的中子衍射譜解析和微觀組織分析表明，液氮溫度下導(dǎo)致材料軟化的晶界滑移機(jī)制被抑制，孿晶和大量非基面滑移系被激活，賦予材料較高的屈服強(qiáng)度和加工硬化能力。不過值得指出的是，超細(xì)晶純鎂在液氮溫度下的塑性較低（斷裂伸長(zhǎng)率僅5%）。未來，通過合理的合金化設(shè)計(jì)有望改善晶界強(qiáng)度及其宏觀塑性，為鎂合金在低溫環(huán)境服役提供理論依據(jù)。
圖1低溫原位中子衍射實(shí)驗(yàn)裝置圖及工作原理示意圖（@J-PARC）
圖2. 采用劇烈塑性變形技術(shù)制備的不同晶粒尺寸純鎂的微觀組織和織構(gòu)圖。該樣品為直徑30mm，厚度約1mm的片狀樣品，滿足可靠的力學(xué)性能測(cè)試要求。
圖3. 不同晶粒尺寸純鎂的室溫及低溫拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，以及屈服強(qiáng)度和延伸率隨晶粒尺寸的變化關(guān)系。
圖4. 超細(xì)晶（d=0.6μm）和細(xì)晶（d=2.5μm）純鎂樣品的中子衍射峰半高寬（FWHM）隨應(yīng)變量的變化規(guī)律圖。室溫條件下，超細(xì)晶純鎂的衍射峰半高寬幾乎不發(fā)生變化，而液氮溫度下發(fā)生快速的寬化，表明位錯(cuò)等晶體缺陷的快速累積。
圖5. 超細(xì)晶純鎂樣品在液氮溫度下拉伸變形過程中的位錯(cuò)密度變化。除了常規(guī)的<a>位錯(cuò)，大量柏氏矢量為<c>和<c+a>的位錯(cuò)被激活。
圖6. 晶界滑移和基面滑移的臨界激活應(yīng)力隨晶粒尺寸和加載溫度的變化趨勢(shì)。室溫條件下，超細(xì)晶樣品更易發(fā)生晶界滑移，然而低溫條件下晶界滑移所需的應(yīng)力大幅提高，位錯(cuò)滑移重新成為超細(xì)晶樣品的主導(dǎo)塑性變形機(jī)制。
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標(biāo)簽： 金屬結(jié)構(gòu)材料, 北航, 超細(xì)晶純鎂, 低溫力學(xué)行為
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