南工大《Scripta Mater》：镁合金固溶原子介导的Hall-Petch方程！

2022-06-16 17:06:58 作者：材料科学与工程来源：材料科学与工程分享至：

镁（Mg）及其合金一直被认为是汽车和航空航天工业中理想的轻质结构材料，晶粒细化已被证明是一种非常有效的强化方法，与晶粒强化相关的Hall-Petch方程，其中斜率k可以反映晶界强化的效率。研究表明，k值随固溶含量单调增加，并且任何限制多次滑移的硬化形式都会增加k值。同样固溶原子的类型极大地影响了Mg合金的微观结构、织构和力学性能。例如稀土元素会对Mg合金的变形模式造成不同的固溶强化效果。虽然不同固溶原子的加入可能会改变织构、基面滑移与非基面滑移的CRSS比值以及变形机理，但不同固溶元素对Mg合金的Hall-Petch关系的研究尚不多见。

南京工业大学的研究人员通过定量计算和实验验证，揭示了Hall-Petch关系的固溶元素依赖性机制。相关论文以题为“Solute atom mediated Hall-Petch relations for magnesium binary alloys”发表在Scripta Materialia。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.114451

图1 室温下沿ED压缩的真实应力-应变曲线：（a） Mg-Al;（b） Mg-Zn;（c） Mg-Y;（d） Mg-Gd。

图2 Mg-Y、Mg-Gd、Mg-Al和Mg-Zn合金在压缩过程中的屈服应力与晶粒尺寸的关系。

图3 （a）Mg-Al;（b）Mg-Zn;（c）Mg-Y和（d）Mg-Gd的极值图。

图4 （a）Mg-Al;（b）Mg-Zn;（c）Mg-Y和（d）Mg-Gd的边界错位。红线表示{10-12}孪晶晶界。

EBSD极图显示Mg-Y和Mg-Gd的织构明显不同于Mg-Al和Mg-Zn。Mg-Al和Mg-Zn的基面极点主要垂直于ED，而Mg-Y和Mg-Gd的基面极点则在距离ED约40-75°的环空中散射分布。镁合金的变形行为与其织构密切相关。四种合金经2%压缩后的形变组织显示Mg-Al和Mg-Zn中{10-12}孪晶所占比例较高，而Mg-Y和Mg-Gd中{10-12}孪晶所占比例较低。即在Mg-Zn和Mg-Al中，{10-12}孪晶是主要的变形方式，而在Mg-Y和Mg-Gd中，除{10-12}孪晶外，还存在大量位错滑移。

四种合金之间主要变形模式之间的差异是否与Hall-Petch中的k值差异有关呢？已有研究表明，基面滑移主要变形的k （155 MPa·μm1/2）远低于{10-12}孪晶k（223 MPa·μm1/2），因此，较高比例的基底面滑移激活会降低k值。此外，激活较高比例的基面滑移将导致其与孪晶之间更强的相互作用。基面滑移的激活可以有效地触发晶粒内或相邻晶粒的形成孪晶。一般情况下，当基面位错滑到孪晶界时，基面位错会解离为孪生位错和残余位错。随着基面位错和解离的不断进行，其在晶界处的堆积将有效地促进该晶内或相邻晶内孪晶的形核。因此，晶粒中的基面滑移能够促进晶粒相邻孪晶变形。即同一晶粒内基面滑移容易的变形传递到相邻晶粒内{10-12}孪晶，因此k值较低。

总而言之，沿挤压方向压缩Mg-Y （220MPa·μm1/2）和Mg-Gd （285MPa·μm1/2）的Hall-Petch斜率k较Mg-Al （324MPa·μm1/2）和Mg-Zn （322MPa·μm1/2）低。Zn或Al的加入形成了更强的基面织构，在挤压方向的压缩下，{10-12}孪晶变形为主要的变形方式。相反，Gd或Y的加入会使织构变弱，因此{10-12}孪晶和基面滑都被广泛激活。基面滑移较低的k值以及基面滑移对{10-12}孪晶活化的作用导致Mg-Y和Mg-Gd的k值较低。

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