文章摘要:
本研究探讨了体心立方镁锂铝合金塑性的改善,这对轻量化结构应用至关重要。三元MgLi-Al合金具有较高的强度和较低的塑性。研究了这些合金中与塑性降低有关的晶界析出物的晶体结构和组成。先进的显微技术揭示了析出物的转变和晶界处特定结构的发展。通过第一性原理计算,研究了晶界元素扩散的热力学过程,并采用相场模拟方法模拟了析出相的演化过程。分子动力学模拟阐明了人工老化过程中脆性断裂模式向韧性断裂模式转变的纳米尺度机制。晶界处的DO₃-Mg₃Al为脆性相,经170 ℃时效处理后,析出以DO₃-Mg₃Al为形核中心的片状α-Mg相。Al原子在α-Mg中Li位的占位能低于DO₃-Mg₃Al中的占位能,导致了DO₃-Mg₃Al的溶解。α-Mg具有较强的金属性,与基体的模量匹配性较好,位错迁移率较高。α-Mg的析出对合金塑性的显著提高起关键性作用。本文研究了体心立方镁(Mg)锂(Li)-铝(Al)合金塑性的改善,这对轻质结构应用至关重要。三元MgLi-Al合金具有较高的强度和较低的塑性。研究了这些合金中与塑性降低相关的晶界析出物的晶体结构和组成。先进的显微技术揭示了析出物的转变和晶界处特定结构的发展。通过第一性原理计算,研究了晶界元素扩散的热力学过程,并采用相场模拟方法模拟了析出相的演化过程。分子动力学模拟阐明了人工老化过程中脆性断裂模式向韧性断裂模式转变的纳米尺度机制。晶界处的DO₃-Mg₃Al为脆性相,经170℃时效处理后,析出以DO₃-Mg₃Al为形核中心的片状α-Mg相。Al原子在α-Mg中Li位的占位能低于DO₃-Mg₃Al中的占位能,导致了DO₃-Mg₃Al的溶解。α-Mg具有较强的金属性,与基体的模量匹配性较好,位错迁移率较高。α-Mg的析出对合金塑性的显著提高起关键性作用。这项工作有助于对合金成分、晶界析出物和塑性之间复杂相互作用的理解,以及为指导结构应用的高级Mg-Li-Al合金开发中的界面控制提供了见解。
研究背景:
镁(Mg)合金因其轻质高强的特性,在汽车、航空航天等领域备受关注,但其六方密排(HCP)结构在室温下塑性较差,主要受限于有限的滑移系统。添加锂(Li)可形成体心立方(BCC)结构的Mg-Li合金,显著提升塑性;但进一步添加铝(Al)后,尽管强度提高(如DO₃-Mg₃Al纳米析出相增强),塑性却急剧下降(<2%),主要归因于晶界处脆性相的析出及贫析出区的形成。如何通过调控晶界析出相以平衡强度与塑性成为关键挑战。
研究内容:
1. 材料制备: 制备了Mg-11Li-3Al合金(LA113),通过熔炼、均质化、挤压及不同时效处理(170°C,10-40分钟)获得样品。
2. 微观结构表征:
1) SEM分析:水淬态(WQ)合金晶界处存在片层状DO₃-Mg₃Al相,呈“墙状”结构,导致晶界脆性断裂(延伸率<5%)。时效处理后,DO₃-Mg₃Al相破碎为纳米颗粒,晶界附近形成HCP α-Mg相层,合金延伸率显著提升至40%以上,断口呈现韧性断裂特征(韧窝状)。
2) TEM观察:观察到淬火态合金中DO₃-Mg₃Al相与BCC基体呈立方-立方取向关系(半共格界面)。晶界附近存在 无析出区(PFZ),宽度约250 nm,为后续DO₃-Mg₃Al相形核提供位点。时效后PFZ区域析出HCP α-Mg相 ,与基体形成特定取向关系,增强晶界协调变形能力。
3) 原子探针层析(APT):观察到晶界处Al富集区(15 at.% Al)呈“编织网状”结构,Li含量高于晶内析出相,导致DO₃-Mg₃Al相优先在晶界形成。晶内析出相为孤立颗粒状,Al含量稳定,Mg含量较高,与晶界析出相成分差异显著。
4) 同步辐射广角X射线散射(WAXS):水淬态合金存在调幅分解特征(侧峰),表明Al在BCC基体中发生旋节分解。
3. 计算模拟
1) 第一性原理计算:证实Al原子在α-Mg中占据Li位点的能量更低,驱动DO₃-Mg₃Al溶解。
2) 相场模拟:模拟晶界析出物的形核、生长及PFZ(无析出区)形成过程。
3) 分子动力学:揭示脆性(晶界断裂)向韧性(韧窝断裂)转变的纳米尺度机制。
4. 强化机制分析
1) 相变诱导强化:时效过程中DO₃-Mg₃Al→α-Mg相变释放晶界应力,优化微观结构。第一性原理计算表明,Al在α-Mg中Li位点的占位能更低,驱动DO₃-Mg₃Al溶解;α-Mg的金属键特性(电子分布均匀)增强界面结合,延缓裂纹扩展。
2) 析出强化:水淬态合金中,析出相(DO₃-Mg₃Al)以片层状结构分布于晶界,形成高密度纳米析出相,显著提高强度(拉伸强度~385 MPa)。
3) 晶界强化:时效后,晶界处DO₃-Mg₃Al溶解并诱导α-Mg相析出,形成层状结构,改善晶界韧性(延伸率提升至40%以上)
结论:
1. 析出相演变机制:170℃时效促使晶界DO₃-Mg₃Al相溶解,并作为形核点诱发α-Mg析出;α-Mg与基体模量匹配更优,促进位错运动。
2. 塑性提升关键:α-Mg相的金属键特性与基体模量匹配更优,增强了位错活动能力,是塑性改善的关键机制。
3. 应用指导意义:通过调控时效工艺(温度/时间),可平衡晶界析出相类型,实现强度-塑性协同优化,该机制为开发高塑性BCC镁合金提供了晶界工程的理论基础。
致谢:
国家自然科学基金项目(no . U52071173、52375394)资助;深圳市科技创新委员会(项目号:JCYJ 20210324120209026; KQTD 2019092917250571)资助;广东省重大人才计划(合同号:2019 QN 01 C435)资助。
图文速览:
图1. (a) LA113合金不同处理工艺下的拉伸工程应力-应变曲线;(b-e)相应的微观结构(WQ:水淬;10min:170℃时效 10min;20min:170℃时效 20min;40min:170℃时效 40min)。(a)中插入的图显示了水淬样品的沿晶脆性断裂和时效20min后样品的韧性断裂
图2. 水淬LA113合金基体和晶界处析出相的TEM表征。(a)明场(BF)图像;(b)包含图(a)中晶粒A和B的选区电子衍射花样(SADP);(c)图(d)中红色虚线标记区域的SADP,显示晶界附近Mg的析出;(d) 高角度环形暗场(HADDF)图像,显示基体中的细小析出相和晶界处的壁状析出相;PFZ:无析出区;(e) 图(c)对应的能量色散X射线光谱(EDS)映射;(f) 晶界附近Mg的相应高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)图像
图3. 水淬合金(WQ)在170℃人工时效10min、20min和40min时的原位广角X射线散射(WAXS)光谱。q=4πsinθ/λs,其中θ是入射光束与散射光束之间的半散射角,λs是入射X射线的波长
图4. 晶内和晶界处析出相的原子探针断层扫描(APT)分析。(a) WQLA113合金中合金元素原子分布图的APT重建。富Al析出相由15at.%Al的等值面突出显示。通过感兴趣的层状区域1和圆柱形区域2(ROI 1和ROI 2)提取晶界和晶内的析出相进行后续分析;(b) ROI 1 中Al的映射,显示晶界处析出相的形态;(c) 和(d) 分别为ROI 1和ROI 2中富Al析出相的邻近直方图,显示化学成分。(c) 和 (d) 中横坐标“距离”表示到等值面的法向距离,距离的符号表示与富Al析出相中心的接近程度
图5. (a) 由特殊准随机结构(SQS)模型创建的基体模型;(b) 晶界Σ5(310)模型;(c) Al在基体和晶界处的扩散激活能曲线
图6. DO₃-Mg₃Al和α-Mg的晶体模型。α-Mg中Al的不同占位用数字1-5标记
图7. (a) Mg30Li、(b) Mg15Li和(c) DO₃-Mg₃Al的差分电荷密度图
图8. LA113 合金中晶界和晶内 DO₃-Mg₃Al的模拟微观结构演变。t∗是无量纲时间,(a1)-(c1)t±=1 ,(a2)-(c2)t∗=5000 ,(a3)-(c3)t∗=7500 ,(a4)-(c4)t∗=10,000 ,(a5)-(c5)t∗=15,000 ,(a6)-(c6)t∗=20,000
图9 (a6) 中黄色箭头所示位置在不同时间的成分变化,(a)t∗=1 ,(b)t∗=5000 ,(c)t∗=7500 ,(e)t∗=20,000
图10. 170℃时效过程中HCP α-Mg的模拟微观结构演变。t∗是无量纲时间,(a1) - (c1)t∗=2500 ,(a2)-(c2)t∗=5000 ,(a3)-(c3)t∗=10,000 ,(a4)-(c4)t∗=15,000 ,(a5)-(c5)t∗=20,000
图11. 图10(a6)中黄色箭头所示位置的成分
图12. LA113 合金中含有DO₃-Mg₃Al析出相的基体的模拟拉伸过程。(a) LA113 合金的单晶模型;(b) 含有DO₃-Mg₃Al析出相的 LA113 合金模型;(c - f) 合金拉伸过程中的位错分析。圆柱体代表DO₃-Mg₃Al析出相,每条线代表一个位错
图13. 图12(e)中的位错构型。圆圈1和2分别显示1/6<112>位错网络和1/3<100>位错网络
图14. 晶界模型(a) 晶界角度为36.86°的双晶模型;含有(b)层状DO₃-Mg₃Al、(c) 球形DO₃-Mg₃Al和(d)层状HCP α-Mg的双晶模型
图15. 拉伸变形过程中晶界处位错的演变过程。(a-e)含有层状DO₃-Mg₃Al的晶界;(f-j)含有球形DO₃-Mg₃Al的晶界;(k-o)含有层状HCP α-Mg的晶界
【引用】:Fan Ji; Tongzheng Xin; Yuhong Zhao; Wenkui Yang; Guoning Bai; Song Tang; Enyu Guo; Mengran Zhou; Qingyu Shi; Luqing Cui; Long-Qing Chen; Binbin He; Enhancing plasticity in BCC Mg-Li-Al alloys through controlled precipitation at grain boundaries, International Journal of Plasticity, 2024, 181: 104105.
上一条:A. Amar, M.L. Wang, R. Huang, et al., Acta Materialia, 2025, 284:120645. 下一条:Z.H. Wang, J.H. Yuan, Q. Wang, et al., Acta Materialia, 2024, 266:119686.
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@ 2025, 大连理工大学金属凝固电磁控制团队