庞大打破！《Science》子刊！造备超高比强度镁合金

导读：众所周知，镁(Mg)的强化是通过位错积存、晶粒细化、变形孪晶以及溶质原子或纳米级析出物对织构的操纵或位错钉扎来实现的。这些模式孕育发生的屈服强度可与其他工程合金(如某些牌号的铝)相比，但低于高强度的铝、钛合金和钢。本文陈诉了一个调幅剖析强化超轻镁合金的特定屈服强度凌驾险些全部其他工程合金。我们为调幅剖析提供了惹人注目标形态学、化学、布局和热力学证据，并评释在调幅区和基体之间的弥散过渡区的晶格失配是进步这类合金屈服强度的重要身分

在结晶金属和合金中，位错是塑性的最有用载体，任何拦阻其滑动、交织滑移和攀爬本领的微观布局特性都必要更高的塑性(永远)变形应力。简洁地说，对位错活动的抗击力越大，金属的屈服强度就越高。在航空航天、地面运输、生物医学和电子行业要求轻量化的应用中，低密度合金是紧张的布局质料，可以通过微观布局设计成高屈服强度。六角密聚集 (HCP) 镁 (Mg) 合金是全部工程金属中最轻的，是以，纵然是中等屈服强度的合金，假如思量到其他吸惹人的性能，在很多布局应用中都黑白常吸惹人的质料。

Mg 可以通过应变硬化 、晶粒细化 、变形孪晶和晶体织构操纵 等经典机制举行强化，但迄今为止，这是进步抗位错活动本领的最有用要领是通过与第二种身分形成合金，形成纳米级沉淀物的固溶体或疏散体来实现的。通过将 Mg 与锂 (Li) 和钪 (Sc) 选择性合金化，HCP 布局变化为体心立方 (BCC)，进而转变很多要害举动，如位错动力学和操纵滑移体系，导致屈服和加工硬化举动、延展性、织构进展等方面的差别。锂的极低密度 (0.57 g/cm 3 ) 使得它是一种格外有吸引力的合金添加剂，如 MgLi 基 BCC 合金所示，此中高达 300 kN m kg -1 的比强度与精良的室温延展性和耐腐化性相联合是大概的 。

在这里，清华大学李晓燕传授团结北京科技大学、日本大阪大学、美国宾尼法尼亚大学等九所国际顶级科研机构陈诉了一种 BCC β 相 Mg-14Li-7Al 合金 (LA147)，其孕育发生的比屈服强度约为 350 kN m kg -1，险些凌驾了全部其他工程合金。相干研究结果以题“Ultrahigh specific strength in a magnesium alloy strengthened by spinodal decomposition”颁发在国际顶级期Science advances上。

论文链接：

http://advances.sciencemag.org/content/7/23/eabf3039

该 BCC MgLiAl 体系的强化举动与其他镁合金差别，由于该合金在从固溶温度举行水淬后马上到达其峰值强度。而淬火强化常用于很多范例的钢的情形产生时，与奥氏体到马氏体的变化nondiffusional相干联的征象，这种范例的转化在高于室温的温度。为了展现 BCC MgLiAl 合金的强化机制，我们在这里采纳了一种壮大的新低温制备要领，用于原子探针断层扫描 (APT)，联合非原位和原位布局阐发技能，以登科一性道理、相场和物理-基于建模以天生确凿的形态学、化学、晶体学和热力学证据，证明情况温度下的快速和大量强化是由调幅剖析引起的，这是一种迄今为止尚未报道的镁及其合金的强化机制。这种在低温下的调幅剖析为 BCC MgLiAl 合金的遍及工程应用提供了一种经济有用的要领。

图 1A表现了 BCC β 相 LA147 单轴压缩微柱在尺度固溶处置惩罚和水淬后明显的情况温度流淌举动。对付大于 2 μm 的柱子直径，屈服强度彷佛存在尺寸稳定性，效果值在 620 至 640 MPa 范畴内。该临界直径小于其他镁合金报道的~3.5 μm 。图 S1 表现了典范的 4 μm 直径支柱变形后的外貌形态。LA147的超低密度 (1.32 g/cm 3 ) 和高屈服强度的联合孕育发生了 470 至 500 kN m kg -1的比强度，险些凌驾了全部已知的工程合金（图 1B）) 。

图 1 LA147 的机器性能。

（A）差别直径的 LA147 淬火微柱的压缩工程应变-应力曲线和雷同合金的 5 mm 拉伸样品的拉伸应变-应力曲线。( B ) LA147 与一系列闻名的高强度合金之间的比屈服强度比力。这些质料包罗Mg2Zn（12），Mg10Al（12），TZAM6620（20），纳米布局化MgCuY合金（54），硬铝（55），Al-Li合金2050（56），纳米布局化的Al合金（54），Ti6Al4V外貌（20） , Inconel 718 ( 57 ), 层状镍铁钴合金 ( 58 ), TWIP 钢 (59）、双相钢（ 57）、马氏体钢（ 57）、马氏体时效钢（ 57）、TRIP钢（ 57）和Ti50Ni47Fe3合金（ 60）。圈出的两种质料是通过更奇怪的溅射沉积途径以薄膜情势生产的。

图2 水淬LA147低温APT效果与相场模仿比拟。

( A ) 重修的 APT 体积，表现漫衍在 BCC β 相（品赤色相）内的富铝区（蓝相）（用 6% 铝等值面绘制）。( B ) LA147 和一系列旋节线合金的时间温度变化图。（C）（A）中提取的富铝区的底视图，表现了经典旋节线的特性形态和晶体特性。（D和E）分别从 APT 数据和相场模仿天生的身分图。( F和G ) Mg、Li 和 Al 分别通过 (D) 和 (E) 中的富铝区的一维浓度漫衍。

图3 镁基二元固溶体的热力学和电子性子。

( A ) 体心立方 Mg-Al/Li 固溶体中差别温度下的形成能曲线。( B、C和E ) Mg 65 Al 35和 Mg 65 Li 35固溶体的角动量投影态密度分别为s带、p带和全部。( D ) Mg 65 Li 35和Mg 65 Al 35中Mg-溶质、溶质-溶质和Mg-Mg对<-COHP>的均匀值。

图 4 LA147 相变的原位同步加快器 XRD 和相场模仿。

( A ) 天然时效历程中淬火后 LA147 的 XRD 数据集：q = 4πsinθ/λ s，此中 θ 是入射光束和散射光束之间的半散射角，λ s是入射 X 射线的波长。( B ) 相位场模仿和试验观看到的波长的旋节线数据，λ，作为天然老化时间的函数（t * 表现无量纲时间）。λ = λ 0在t 0 = 0 min 表现对应于淬火后不久试验得到的值的波长。重要有几个阶段：I，孵化；二、快速增进；和 III，均衡。( C) 作为天然时效时间和 ( D ) 相应显微布局演化的函数的富铝地区内的模仿布局次序参数。有序参数的范畴从 0 到 1，表现完全无序的固溶体演化为完全有序的 D0 3 -Mg 3 Al 相。(D)中的数字是图的一部门。

图 5 LA147 塑性变形的分子动力学。

（A）具有和不具有富铝地区的模仿样品体积的设置装备摆设。( B ) 位错密度的改变作为 (A) 中所示样品体积的应用应变的函数。( C ) 应变为 7% 时模仿样品体积内的位错网络。

总之，我们陈诉了一种基于细致的形态学、化学和晶体学证据，通过曩昔未知的机制强化的超轻镁合金。试验数据与调幅剖析的热力学猜测完全同等，并联合从基于物理的模子、重新算、分子动力学和 PFS 孕育发生的证据。盘旋强化与 MgLiAl 基合金固有的低密度相联合，制造了一种质料，其特定强度凌驾任何其他报道的工程合金。这里的效果也大概实用于很多其他未开辟的 Mg-Li 基合金体系。