燕山大学Nano. Lett. : 双重压缩纳米孪晶构筑高强度高延展性镁合金！

【引言】

镁合金由于其质量小，比强度高，可铸性等特性受到了大量的关注。然而，两个致命的问题限制了其发展——常温下相对强度低和冷加工性差。到目前为止，由于孪晶界面的不稳定性和孪晶端部的应力集中作用，人们认为要得到兼顾强度与延展性的镁合金是几乎不可能的。然而，燕山大学的彭秋明课题组却设计出了一种以{101̅1}和{101̅1}为主的双重压缩孪晶，得到了一种既有高强度又有高延展性的镁-锂合金，大大拓展了其应用范围。

【成果简介】

近日，燕山大学的彭秋明教授课题组采用简单的一步超高压法，合成了一种梯度分层且包含较好的双重压缩纳米孪晶结构的镁-锂合金材料（8 wt% Li）。采用晶粒细化和沉积增强测策略得到的双重压缩纳米孪晶结构不仅克服了孪晶界的增厚，还抑制了位错在孪晶边缘的滑移。此镁-锂合金在不明显损失延展性的前提下，大大提高了其强度，将会拓展镁合金应用领域和推动镁合金工业的发展。该成果发表于Nano Letters: “Achieving High Strength and Ductility in Magnesium Alloys via Densely Hierarchical Double Contraction Nanotwins”.

【图文导读】

部分名词说明（下同）：

Mg-8Li为锂的质量分数为8%的镁合金，6 GPa−1000为6GPa压力下1000℃煅烧，TTWs为拉伸孪晶，CTWs为压缩孪晶，DTWs为双重孪晶，DCTWs为双重压缩孪晶，hpc为镁合金的密排六方晶体结构，NTW为纳米孪晶。

图1：Mg-8Li的机械性能

不同条件下制备的Mg-8Li合金

（a）显微硬度曲线；

（b）不同压力下样品的应力拉伸曲线；

（c）通过不同的方法技术（延展法，挤出法，等通道转角挤压技术，老化）制备的Mg-Li合金和Mg-Li-X合金（X为合金元素）的屈服强度和断裂伸长率；

（d）M-8Li与商业化镁合金比屈服强度对比。

图2：6 GPa−1000 Mg−8Li的微观结构

（a）明场透射电镜图；

（b）小角度晶界选区电子衍射花样；

（c）分层{101̅1}−{101̅1}DCTWs结构示意图；

（d）{101̅0} NTWs的放大图，内部的图为{101̅0} NTWs的厚度分布；

（e）沿着[21̅1̅0]方向的NTW界面的选区电子衍射花样；

（f）沿着[12̅13̅]方向的NTW界面的选区电子衍射花样。

图3：{101̅1}−{101̅1} DCTWs的微观结构

（a）在6 GPa−1000 Mg−8Li合金分层{101̅1}−{101̅1} DCTWs 的明场透射电镜图；

（b）在模块a中的{101̅1}−{101̅1} DCTWs的局部高分辨透射电镜图，黄色线为MTW 界面的边缘，MTW界面为白色虚线；

（c）双重孪晶过程c轴方向的两种可能旋转方式的示意图。

图4：DCTW边界中纳米级粒子的分离

（a）沿[12̅13̅]方向观察6 GPa−1000 Mg−8Li合金中DCTW结构的环形暗场图；

（b）局部高分辨图；

（c）不同粒子的电子能量损失谱的maps；

（d）用随机30个粒子计算了黑色粒子的空间分布图。

图5： DCTWs边界钉扎强化

（a）共格纳米级富Li的hcp相；

（b）沿着MTWs边界共格生长的富Li的hcp相；

（c）富Li的hcp相在连接区域的分离。

图6：强化机理示意图

（a）通过在分层DCTW边界阻止位错移动来增强的两种可能过程，（i）部分位错从晶界穿过到其他晶界或者孪晶界，（ii）部分位错从孪晶界穿到其他孪晶界或者晶界；

（b）在分层DCTW边界-孪晶界面的移动和去孪晶化工程中阻止两种可能的软化过程，（i）孪晶界移动聚集导致增厚，（ii）部分位错平行穿过到二次孪晶界，导致二次孪晶的去孪晶化。

【小结】

该研究通过晶粒细化和沉积增强的方法成功地形成了一种堆砌结构的孪晶。该结构可以有效地抑制位错的运动，从而得到了一种具有高强度和高延展性的镁合金材料。这种新型的hcp-型富含Li相的材料，不仅克服了孪晶界面的增厚过程，而且抑制了位错沿孪晶界的滑移，打破了传统理论强度-延展性相互制约的矛盾。此研究结论，会大大拓展镁合金应用领域和推动镁合金工业的发展。

文献链接：Achieving High Strength and Ductility in Magnesium Alloys via Densely Hierarchical Double Contraction Nanotwins(Nano Letters, 2017, DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b02641)

本文由材料人编辑部袁赛赛编译， 陈炳旭审核，点我加入材料人编辑部。

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