重庆大学《MD》：元素晶界偏析对Mg-Zn合金组织性能的影响！

2022-11-20 01:56:06, 材料科学与工程

编辑推荐：文章研究了在Mg-1Zn(wt.%)合金中添加Ca、Ce和Nd时，晶界合金元素偏析对合金组织和力学性能的影响。在所有设计的三元合金中，均表现出合金元素在晶界处发生偏析，导致溶质阻力对晶界迁移率产生影响，影响晶粒尺寸。研究表明，Mg-Zn-Nd合金中Zn和Nd的共偏析导致晶界处溶质阻力较大，结合纳米级(Mg, Zn)3Nd析出相产生的Zener压力显著细化了合金的晶粒尺寸。晶粒细化与双峰组织的结合显著地提高了合金强度。此外，Ca和Ce的加入同时提高了合金的强度和塑性，这与合金元素在晶界处的偏析密切相关。结合实验发现，Ce能有效地改善Mg-Zn合金的力学性能。

在种类繁多的镁合金中，Mg-Zn基系合金是最有前途的锻造镁合金之一，改善机械性能对于Mg-Zn合金的应用非常重要。合金添加是改善镁合金机械性能的有效方法，除了沉淀和固溶强化，元素偏析也能在镁合金的微观结构演变和力学性能中也起重要作用。然而合金元素偏析及其产生的影响可能会对不同的合金种类发生显著变化。

重庆大学研究者通过Mg-1Zn（wt%）添加Ca、Ce和Nd元素，研究晶界处合金元素偏析对合金组织和力学性能的作用。结合不同尺度下组织演化、合金偏析和力学性能表征，阐明了合金元素偏析对Mg-Zn基合金力学性能的影响机理。相关论文以题为“Regulating microstructure of Al matrix composites with nanocarbon”，发表在《Materials & Ddesign》上，

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.matdes.2022.111322

图1 (a-b) Z1、(c-d) ZX10、(e-f) ZCe10和(g-h) ZNd10的IPF和PF图像及晶粒尺寸分布，再结晶率 (i)

MgZn合金片显示了动态再结晶产生的粗晶粒，Ca、Ce和Nd的添加阻碍了热挤压过程中的动态再结晶。Ca、Ce、Nd的单独添加不同程度地削弱了基底织构成分。ZX10薄板呈现ED-split织构，ZCe10和ZNd10片呈现TD-split织构。这些织构的差异可能是由于热挤压过程中不同的塑性变形模式和动态再结晶机制造成的。

图2 (a-d)ZX10，(e-g)ZCe10和 (h-j) ZNd10合金的HAADF-STEM图像和EDXS衍射

ZX10合金中出现少量板状和棒状析出物，板状为Mg₂Ca相，棒状相为Ca₂Mg₆Zn₃。在ZCe10中观察到一些纳米相为四方结构的(Mg，Zn)₁₂Ce，其与基体的取向关系为(2 0 0)Mg₁₂Ce // (01-10)α-Mg， [0 1 0]Mg₁₂Ce // [2-1-10]α-Mg。ZNd10合金比ZX10和ZCe10合金的晶粒尺寸更细，Zn和Nd在晶界处共偏析，纳米相量增加，为(Mg, Zn)₃Nd，其与Mg基体的取向关系为:(2-2 2)Mg₃Nd // (0-1 0)α-Mg， [-112]Mg₃Nd // [2 -1-10]α-Mg。

图3 (a-d) ZX10，(e-h) ZCe10和 (i-l) ZNd10合金的晶界HADDF-STEM图像和相应的EDS线扫描

Mg-Zn合金中Ca、Ce和Nd的添加会产生不同程度的溶质阻力（Pd）和Zener阻力（Pz）效应，促进晶粒细化。Ca的加入促进了Mg₂Ca和Ca₂Mg₆Zn₃的析出，导致了较大的Pz，主导了ZX10合金的晶粒细化。Zn和Ce的偏聚能(ΔGseg)较低，添加Ce后Zn的ΔGseg进一步降低，在能量上有利于Zn和Ce在晶界处的共偏析，ZCe10合金中由于析出相含量低，Pz显著下降，而Pd显著增加。同样，Zn和Nd较低的ΔGseg，加上Nd后Zn较低的ΔGseg，导致Zn和Nd共偏析，且在ZNd10合金中Pd较大。此外，Zn和Nd的偏析促进了晶界纳米级Mg₃(Zn, Nd)相的析出，这导致了晶界迁移的齐纳拖效应和相应的高Pz值。

图4 在Z1、ZX10、ZCe10和ZNd10合金中沿ED和TD的{0001}<11-20>基底滑移的SF

微量合金元素的加入显著提高了合金的屈服强度(YS)和极限抗拉强度(UTS)，ZCe10合金板具有最高的EL和UTS，Ca和Ce的少量添加极大地促进了合金的综合力学性能。计算值与ZX10合金实验屈服强度非常吻合，但大于ZCe10和ZNd10实验强度，差异与基底滑移的织构减弱，施密德因子(Schmid factor, SF)降低和元素偏析促进了晶界滑移有关。Ca和Ce的加入提高了Mg-Zn合金的塑性，Ce的添加后韧窝数量最佳。晶粒细化、织构减弱、非基面滑移和晶界介导的塑性活性增强有望促进塑性变形。

图5 ZNd10合金拉伸变形前(a-d)和拉伸变形后(e-h)的反极性图、极性图、完整的核平均向错(KAM)图和晶界向错图

拉长晶粒的C轴趋于垂直于ED，而细小的DRXed晶粒在挤压状态下呈随机取向。DRXed和unDRXed晶粒之间存在明显的应变分配，细小的DRXed晶粒在拉伸后表现出较高的应变。ZNd10合金的双峰结构产生的强应变分配导致较低的塑性。

总之，本文研究了Ca、Ce和Nd对Mg-Zn合金组织和力学性能的影响，合金元素的共偏析现象促进韧晶界的形成，增加塑性。Zn和Ce的共偏析能够自行调节，释放晶界局部的应变能，有效地防止裂纹的萌生。强Zn和Ce共偏析会强化晶界滑移以协调拉伸试验中的塑性变形，使晶界滑移成为重要的塑性变形机制。因此，ZCe10合金优异的延性可归因于晶粒细化以及Zn和Ce在晶界处共偏析的协同作用，这种协同作用比ZX10合金更为明显。（文：晓太阳）

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