重大&北航《Acta Materialia》：局域磁矩变化诱导的强韧化！

2023-09-13 17:24:53 作者：材料科学与工程来源：材料科学与工程分享至：

镁属于轻金属材料，密度为1.74 cm³，远低于铝合金、钛合金、锌合金及钢铁的密度，具有高比强、高比模、高导热、电磁屏蔽性好和易回收等优点。近年来，大量的镁合金零部件被生产出来代替塑料、铝合金零部件，应用于汽车、3C(即计算机、通讯、消费电子产品) 及民用工业，尤其是航空航天领域。但当镁合金与其他异种合金连用时，常常通过焊接或螺栓连接组成构件，而热膨胀系数(CTE)的巨大差异将导致构件在经历温度变化时在连接处产生较大的热应力集中，严重时将会在连接处产生裂纹导致构件失效。另外，研究表明，由于材料热膨胀系数的不匹配，在温度载荷作用下会导致热疲劳损伤，从而引起55%的电子设备失效。这限制了镁合金在耐高温系统、散热系统、精密电子仪器中的应用。将低或负热膨胀材料与镁合金复合，可获得低热膨胀的镁基合金。但是，由于大量的添加硬脆的第二相后，镁基合金力学性能损失严重，尤其是塑性严重降低，从而丧失其实用性。

为了在获得低热膨胀系数的同时改善低热膨胀镁基合金的强度和塑性，来自重庆大学和北京航空航天大学的学者提出了局域磁矩( LMMs )变化诱导的强韧化机制。在Mg-4Y-3RE(WE43)镁合金中引入仅7wt . %的Mn₃Ga_0.7Ge_0.3N，利用其强的磁弹性交互作用，不仅可以降低热膨胀系数，而且可以使压缩屈服强度提高~ 70 %，延伸率仅降低~ 2.1 %。观察了界面应力作用下Mn₃Ga_0.7Ge_0.3N反钙钛矿结构的局部晶格变形，验证了LMMs变化诱导的强韧化机制。同时利用一阶磁相变伴随的体积收缩，降低了WE43镁合金的热膨胀系数。这些结果表明，引入具有LMMs能响应温度或应力场变化的第二相是合金实现热膨胀系数可调与高强度和适度压缩变形能力相结合的有效设计策略。相关文章以“Localized magnetic moments variation for strengthening and tuning thermal expansion behavior of Mg alloys”发表在Acta Materialia。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119238

图1 塑性变形机理示意图。(a)宏观塑性变形示意图，(b)不考虑局域磁矩变化和(c)考虑局域磁矩变化的微观塑性变形机理示意图。

图2 不同添加量条件下样品的XRD图谱。

图3 Mn₃Ga_0.7Ge_0.3N在Mg(a)和WE43 (b)基体中的EDS图像。

图4 Mn₃Ga_0.7Ge_0.3N与Mg (a)和WE43基体界面的EDS图像。

图5 Mn₃Ga_0.7Ge_0.3N/Mg(a)和Mn₃Ga_0.7Ge_0.3N/WE43(b)的热膨胀曲线，以及利用经验模型估算的热膨胀系数(c)。

图6 Mn₃Ga_0.7Ge_0.3N/Mg(a)和Mn₃Ga_0.7Ge_0.3N/WE43(c)的压缩应力-应变曲线；典型轻质合金的压缩力学性能综述(b)；镁基复合材料关键力学性能综述(d)。

图7 Mn₃Ga_0.7Ge_0.3N/Mg(a,b,c)与Mn₃Ga_0.7Ge_0.3N/WE43(d,e,f)不同尺度下的HAADF-STEM图像及对应的SEAD图。

图8 (a) Mn₃Ga_0.7Ge_0.3N/WE43界面处的HRTEM图；(b)距离界面~15 nm的Mn₃Ga_0.7Ge_0.3N内部的HRTEM图；(c) 图8(b)中红色以及白色矩形区域放大图以及晶格间距；(d, e) 图8(b)中区域1和2放大图以及原子位移示意图；(f) 对应的几何相位分析图；(g)局域晶格畸变示意图。