吉林大学王慧远教授：实现细晶结构镁合金的非凡热稳定性！

导读：对于可烘烤硬化的稀镁合金来说，高温固溶体是必不可少的，这通常会导致晶粒粗化。在此，我们报告了可烘烤硬化的 Mg-1.61Zn-0.57Mn-0.54Ca-0.46Al (wt. %, ZMXA2110) 合金具有非凡的热稳定性，在 450 °C 下保持细晶结构。热稳定性源于致密细小（~15.0nm）核壳β-Mn颗粒的齐纳钉扎效应以及Zn和Ca在晶界处的共偏析。细晶粒（~3.2 μm）稀合金在固溶条件下表现出较高的室温可成形性，埃里克森指数为~6.0~mm，屈服强度高达~293~MPa，烘烤后明显增加~60~MPa -硬化处理。通过在高温固溶处理下实现非凡的细晶热稳定性，同时获得可观的烘烤硬化性和细晶组织，为高强度稀镁合金的发展提供了保障。

最近，稀含钙镁 (Mg) 合金薄板因其高室温成形性和中等强度而受到广泛关注。然而，在保持良好的室温可成形性的同时，在稀镁合金中实现高屈服强度仍然是一个巨大的挑战，导致与 6xxx 铝 (Al) 合金相比，使用性能不足。令人兴奋的是，通常在铝合金和钢中进行的烘烤硬化处理被证明可以进一步将室温可成形 Mg-1.3Al-0.8Zn-0.7Mn 的流动应力从 ~198 MPa 增加到 ~238 MPa -0.5Ca (wt. %) 合金板，这归因于 Al、Zn 和 Ca 在位错处的共偏析以及这些溶质的共聚集。然而，由于烘烤硬化性在很大程度上取决于溶质在基体中的溶解程度，高温固溶处理是必不可少的，这不可避免地会导致晶粒粗化（从~3-5到~10-50 μm ）。细晶强化在 Mg 合金中会损失 ∼50-90 MPa（Hall-Petch 系数为 205 MPa μm0.5），这很难通过有限的 BH 响应来补偿。换句话说，稳定细晶结构并同时实现显着的 BH 效应将是强化稀镁合金的有效替代方案。因此，在高温 T4 处理下迫切需要细晶结构的高热稳定性，例如450～500℃。

在此，吉林大学材料科学与工程学院王慧远教授（现为河北工业大学副校长）等人发现可烘烤硬化的 Mg-1.61Zn-0.57Mn-0.54Ca-0.46Al (wt. %, ZMXA2110) 合金在 450 °C 的 T4 处理下的细晶结构具有非凡的热稳定性，保留了细晶结构≤3.4 μm 至 30 min。稀合金在T4条件下（10 min）表现出令人满意的室温成形性（指数Erichsen~6.0 mm）和BH处理后明显的屈服强度（~293 MPa）。目前的工作可能会对稀薄成分中坚固且可成型的镁合金板的开发提供新的见解。相关研究成果以题“Achieving extraordinary thermal stability of fine-grained structure in a dilute magnesium alloy”发表在材料研究快报Materials Research Letters上。

链接：

https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/21663831.2022.2106797

本研究使用 AGS-100 kN 试验机以 1×10-3 s-1 的应变速率进行单轴拉伸试验。为了测量 Erichsen 指数 (I.E.) 值，在室温下使用直径为 20mm 的半球形冲头对圆形样品进行 Erichsen 杯突测试。样品直径为50 mm，凡士林与铁氟龙薄膜一起用于润滑。冲孔速度和压边力分别为 0.1 mm s-1 和 80 kN。至少对三个样品进行了测试，以确保拉伸和杯突测试结果的可重复性。通过配备电子背散射衍射 (EBSD) 检测器 (Oxford Instruments, Symmetry)、透射电子显微镜 (TEM, JEM-2100F 和 JEM-F200) 的肖特基场发射显微镜 (Zeiss, Sigma 500) 进行微观结构表征。在 200 kV 和三维原子探针断层扫描 (3D APT) 下。通过使用 Sigma 500 设备对 TEM 样品进行透射菊池衍射 (TKD) 分析。用于 TEM 分析的薄箔通过机械研磨至约 80 μm 的厚度、用于穿孔的双喷射电抛光和使用具有液氮冷却的 Gatan 691 精密离子抛光系统 (PIPS) 进行离子研磨来制备。APT 试样采用两级电抛光法制备，并在 LEAP 4000X Si 上在紫外激光脉冲模式下以 60 pJ 的脉冲能量和 200 Hz 的脉冲频率进行。

图1. (a) ZMXA2110 合金板材在 450 ℃ T4 处理 10 min 和 BH 处理后的拉伸曲线，以及 Erichsen 杯突试验结果。(b) YS 和 I.E.各种镁合金板材的价值。(c) ZMXA2110合金在450℃T4处理10分钟后的EBSD逆极图(IPF)图和(d)对应的极图。

图2. ZMXA2110 合金板在 450 °C 下 T4 处理 (a) 30 min、(b) 60 min 和 (c) 120 min 后的 EBSD IPF 图和插入的晶粒尺寸频率分布直方图。

图3. ZMXA2110 合金板在 450 ℃ T4 处理 (a, b) 10 min 和 (d, e) 60 min 后的 HAADF-STEM 图像。(b) 和 (e) 中 (c) L1 和 (f) L2 对应的 EDS 线扫描结果。

图4. ZMXA2110 合金板在 450 °C 下 T4 处理 10 min 后的 HAADF-STEM 和 APT 分析：(a) 原子分辨率 HAADF-STEM 图像和相应的 EDS (b-e) 映射和 (f) 线扫描结果; (g) Al、Mn、Zn 和 Ca 的 APT 图；(h) (g) 中沿黄线的一维组成剖面。

图5. ZMXA2110 合金板在 (a) 450 °C T4 处理 10 分钟和 (b) 随后 2% 拉伸拉伸后的 EBSD IPF 图（黑色和白色箭头表示 {101¯2} 拉伸孪晶和 {101¯ 1} 压缩双胞胎）。（ c ）黑色虚线框的相应前散射电子图像显示滑动痕迹。(d-i) BH 处理后 ZMXA2110 合金板的 TEM 和 APT 分析：(d) HRTEM 图像，(e) 相应的 [1¯100] SAED 图案和 (f) 高倍率 HRTEM 图像；(g) Zn、Ca 和 Al 的 APT 图；(h) Mg（深蓝色原子）和 1.0 at 的 APT 图。% Ca 等浓度表面；(i) G.P.的浓度接近直方图。

综上所述，ZMXA2110合金板材具有非凡的高温晶粒稳定性，在450°C至30 min的T4处理下仍保持尺寸≤3.4 μm的细晶结构。即使将 T4 处理时间延长至 60 min，晶粒尺寸也仅略有增加至 ∼4.5 μm。晶粒稳定性与 Zn 和 Ca 在 GBs 的共偏析以及大量尺寸约为 15.0 纳米的热稳定核壳 β-Mn 颗粒提供的齐纳钉扎效应有关。壳富含偏析的 Zn 和 Ca 原子，这被证明可以抑制 β-Mn 颗粒的粗化。得益于优异的晶粒稳定性，同时实现了细晶强化和 BH。该合金板在 T4 条件下（10 min）表现出较高的室温成形性（I.E. 值 ∼6.0 mm）和 BH 处理后的 ∼293 MPa 的高 YS。我们的发现可以为开发具有室温成形性和强度的出色协同作用的稀镁合金板提供一些启示。

来源：材料学网MSE