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鎂科研:多元鎂合金中非基面<c+a>滑移的激活

來自: JMACCMg 收藏 邀請

鎂作為最輕的結構材料廣泛應用于交通運輸和航空航天等領域,然而,鎂在室溫下較低的塑性和成形性限制了其大規模應用,提高其塑性可以通過激活鎂中的非基面<c+a>位錯來實現,激活<c+a>滑移的方法之一是通過降低I1層錯能,從而為<c+a>位錯提供更多的形核位點,進而促進位錯形核?;谶@種機制提出了Y元素相似指數來判斷合金中的<c+a>位錯是否容易被激活,但是這種方法不適用于二元無稀土鎂合金。另一種激活<c+a>滑移的機制是通過降低<c+a>位錯的交滑移能壘,進而促進位錯的交滑移,但是,這種方法無法解釋Mg-AlMg-Zn合金塑性的提高。對此,本文研究團隊提出了一種合金元素激活<c+a>滑移的新機制,并且已經在多個二元合金體系中得到了驗證,本文將在三元鎂合金中驗證這種新機制是否適用,以及研究是否可以通過這種方法確定多元鎂合金中的最佳合金元素含量。

最近,韓國浦項科技大學的Nack Joon Kim教授和Byeong-Joo Lee教授團隊利用分子靜力學模擬和宏觀力學試驗相結合的方法對三元鎂合金中的<c+a>滑移激活機制進行了研究,發現如果三元合金和對應的二元合金具有等效的固溶原子-位錯結合強度,那么這些多元鎂合金滑移系間的臨界分切應力(CRSS)各向異性也會降低,導致<c+a>滑移激活;同時,當添加大量弱位錯結合元素時,多元鎂合金中的<c+a>滑移將會被最大化激活。根據該機制確定了室溫下三元合金最佳成分為Mg-0.6Zn-(0.04-0.08)Caat%),相比于其他元素含量的合金,該合金具有十分優異的塑性和成形性,因此,該機制可用于指導鎂合金的成分設計,來提高合金的塑性和成形性。

文章首先通過分子靜力學模擬(molecular statics simulation)與宏觀力學實驗相結合的方法確定了Mg-ZnMg-Ca二元合金中的最佳合金元素含量。在模擬之前,首先確定了在這兩個二元合金中較為適用的次近鄰修正嵌入原子法作為原子間勢函數,隨后,通過分子模擬的方式在基面、柱面和錐面上都引入了一個刃位錯,在0 K下進行變形,測量不同滑移系開動的CRSS,計算結果如圖1所示。從圖中可以發現,合金元素添加引起的不同滑移系的CRSS的增量是不同的,這是由于這三個滑移系中位錯核結構的復雜性不同而引起的,在位錯滑移過程中,基面位錯和柱面位錯由于其簡單的核心結構而保持結構不變,因此可以被溶質原子較好地釘扎;而錐面上的位錯由于位錯核結構較為復雜,因此在滑動過程中位錯會偶爾發生變化,這種變化會導致溶質原子-位錯結合能的局部弛豫,進而導致溶質原子對位錯的釘扎力相對較低。

此外,從圖1中也可以發現,合金元素的添加通常會降低不同滑移系CRSS的各向異性,但是對于不同種類的合金元素,CRSS各向異性的最低點對應的含量會有所不同。對于Mg-Zn合金,CRSS各向異性在Zn添加量為0.3-1.0 at%的范圍內降低到最低點,這是由于Zn和位錯的結合力比較弱,隨著合金的添加,Zn的釘扎效果變化較為平緩,因此最終確定Zn元素的最佳添加量為0.3-1.0 at%;對于Mg-Ca合金,由于Ca和位錯的結合力較強,CRSS各向異性最低點對應的合金元素范圍大大縮小,結合模擬結果,確定Ca元素的最佳添加量為0.1 at%。為了更加精確地確定Zn元素的最佳添加量,對Zn含量為0.3-1.0 at%Mg-Zn合金進行了拉伸試驗。為了更好地研究<c+a>滑移激活對塑性的影響,盡量控制Mg-Zn合金樣品中的晶粒尺寸和織構保持一致(如圖2(a)所示)。拉伸試驗得到的工程應力-應變曲線如圖2(b)所示,曲線表明,與軋制和退火后純鎂的拉伸延伸率(3-12%)相比,所有合金的塑性都有所提高,其中,Mg-0.5Znat%)合金的拉伸延伸率最高,同時,在模擬結果中該種合金基面和錐面II滑移系之間的CRSS各向異性也最小。因此,最終確定二元合金中Zn元素的最佳添加量為0.5 at%。

通過模擬得到的Mg-Zn Mg-Ca合金在基面、柱面和錐面上的應力-應變曲線

退火態Mg-0.3Zn、Mg-0.5Zn、Mg-0.75Zn、Mg-1.0Zn 合金室溫極圖和拉伸應力-應變曲線

為了驗證二元合金中建立的合金元素激活<c+a>滑移的機制是否在三元合金中適用,因此對Mg-Zn-Ca三元合金進行了研究。首先假設三元合金與對應的二元合金有著等效的固溶原子-位錯結合強度,對應于上述試驗結果,即0.5 at% Zn0.1 at% Ca對于位錯的影響較為相似,0.25 at% Zn0.05 at% Ca對于位錯的影響較為相似,對應于合金,Mg-0.25Zn-0.05Caat%)合金的 CRSS 各向異性與 Mg-0.5Zn at%)或 Mg-0.1Ca at%)合金較為相似??紤]到ZnCa的位錯結合強度不同,采用二元合金中最佳含量除以三元合金中元素含量(后簡稱為比值)的方法對合金含量進行了標準化處理,即若想使得三元合金與有著最佳合金含量的二元合金有著等效的位錯結合強度,應滿足ZnCa的比值之和為1。為了驗證這一假設,對滿足上述關系式的三種合金(Mg-0.4Zn-0.02Ca、Mg-0.25Zn-0.05Ca、Mg-0.10Zn-0.08Ca)模擬得到了應力-應變曲線,如圖3所示,結果表明這三種合金基面與非基面滑移系CRSS的各向異性都特別??;反之,對于不滿足該關系式、但是合金含量分別為二元合金最佳含量的Mg-0.5Zn-0.1Ca合金(如圖3(b)),基面和非基面滑移的CRSS都增加了很多,因此,CRSS的各向異性沒有降低。這些結果說明,對于三元合金,可以將合金含量分別調整到與對應的二元合金有著等效固溶原子-位錯結合強度的含量,這樣滑移系之間的CRSS各向異性就會最低,也證實了二元鎂合金中關于非基面<c+a>滑移激活的機制同樣適用于三元合金。對于符合關系式的上述三種合金,分別對應力-應變曲線進行了多次模擬,觀察其結果的波動,發現Mg-0.40Zn-0.02Ca合金的波動最小、較為穩定,這是由于在該合金中,和位錯結合相對較弱的Zn元素的標準化比例較高,因此溶質原子分布對力學性能的影響相對較小,從而結果較為穩定;而Ca和位錯的結合較強,當樣品中Ca的含量比例較高時,不同樣品的應力-應變曲線會隨著Ca原子的分布而產生較大變化,因此其余兩種合金曲線波動較大。這說明,在三元鎂合金中加入大量的弱位錯結合元素,會使得材料的性能變化較小,有利于非基面<c+a>滑移的最大化激活。

通過模擬得到的具有等效位錯結合強度的(aMg-Zn-Ca合金和(bMg-0.5 Zn-0.1 Ca合金在基面、柱面和錐面II上的應力-應變曲線

由于上述結果是在0 K下模擬得到的,但合金實際應用溫度多是室溫,因此對合金含量繼續進行優化。在模擬結果中,基面和錐面滑移CRSS最接近對應的Zn元素添加量為0.5%,但室溫下局部弛豫會加劇,Zn元素含量增加引起的錐面滑移CRSS的增加量可能較低,使得合金錐面滑移的CRSS仍低于純鎂中的CRSS,這意味著當Zn含量超過0.5%時,合金中錐面滑移的CRSS仍然可能小于純鎂,說明室溫下Zn元素最佳添加量可以大于模擬值0.5%。結合試驗結果,0.5%-1.0%Mg-Zn合金都具有很好的塑性,因此選擇中間值0.75%作為室溫下Mg-Zn合金中Zn的最佳添加量,同時也確定了室溫和0 K下的最佳Zn添加量比值為1.5;對于Mg-Ca合金,這個比值仍然適用,因此確定室溫下Ca的最佳添加量為0.15%。結合三元合金中等效位錯強度的關系式(Zn:Ca=8:2),確定室溫下最佳成分的三元合金為Mg-0.6Zn-0.03Ca。但是,考慮到Ca會在晶界上大量偏聚,使得基體中的Ca含量小于0.03%,通過模擬計算,設置0.01% Ca作為補償量,因此改進三元合金成為為Mg-0.6Zn-0.04Ca。為了驗證上述想法,需進行相關實驗,但由于精確控制Ca較為困難,一直未能制備出Mg-0.6Zn-0.04Ca合金。但在文獻中發現Chino等學者制備了Mg-0.57Zn-0.04Ca合金,其延伸率為23-30%,IE值(index of Erichsen value)為8.2 mm,平均晶粒尺寸為32 μm。為了研究Ca添加量的影響,本文研究團隊制備了Mg-0.61Zn-0.08CaMg-0.61Zn-0.12Ca合金,通過試驗測得Mg-0.61Zn-0.08Ca合金延伸率為31%,IE值為8.0 mm,平均晶粒尺寸為21.7 μm,Mg-0.61Zn-0.12Ca合金延伸率為26%,IE值為7.28 mm,平均晶粒尺寸為22.5 μm,二者相比,0.08%Ca對應的塑性和成形性都更高,二者相較于Mg-0.57Zn-0.04Ca,延伸率更高,成形性較低,考慮到Mg-0.57Zn-0.04Ca制備工藝不同、晶粒尺寸較大,而晶粒較大會降低塑性和成形性??偨Y上述結果可以得出結論:當Ca含量高于0.04%、低于0.08%時,合金的塑性和成形性較好。

綜上所述,本研究通過分子靜力學模擬和宏觀力學試驗結合的方法研究了三元合金中的<c+a>滑移激活機制,發現如果三元合金和對應的二元合金具有等效的固溶原子-位錯結合強度,那么這些多元鎂合金滑移系間的CRSS各向異性也會降低,導致<c+a>滑移激活;當添加大量弱位錯結合元素時,多元鎂合金中的<c+a>滑移將會被最大化激活,根據該機制確定的Mg-0.6Zn-(0.04-0.08)Ca三元合金有著優異的塑性和成形性,為該機制用于指導鎂合金的成分設計來提高塑性和成形性奠定了基礎。

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本文作者2022-5-20 14:05
鎂途
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鎂應用:鎂合金汽車輪轂低壓鑄造工藝進展發布時間:2022-05-20
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