西安交大孙军院士团队：异质纤维结构镁合金，具有强韧性协同效应

导读：本文报道了一种采用常规挤压法制得的异质纤维结构Mg-5.6Zn-0.6Zr (wt%)合金，具有较高的屈服强度~ 345mpa，极限抗拉强度为~ 370mpa，应变为~20.5%，优于目前报道的大多数Mg-Zn基合金。超高的机械性能主要归功于粗细相间的异质纤维结构层。不同层中的晶粒生长到相邻层中，保证了良好的层结合。锥体滑移的高施密德因子和几何因子导致相邻粗晶和细晶之间的完全滑移转移，有助于释放应力集中，避免早期断裂。大量激活的析出物钉扎位错，对高强度有贡献。

滑移位错可以产生前所未有的高拉伸应变。硬细晶畴的约束使得软的粗晶畴像硬细晶畴一样强，以及纳米尺度

镁及其合金在低密度方面优于传统结构金属，在汽车、飞机、航天器及储氢能源相关行业具有广阔的应用前景。然而，由于缺乏足够的滑移和孪晶体系，镁合金通常表现出较低的流动强度和较差的成形性。近年来，含有锌(Zn)和锆(Zr)元素的变形z基镁合金因其高刚度和优异的可加工性而越来越受到关注。然而，由于Mg的六边形密排(HCP)晶体结构导致的较差的可成形性和较低的层错能限制了其在室温下的广泛应用。其主要原因是由于镁的基底织构较强而导致滑移活性不足变形镁合金。迄今为止，人们已经进行了许多尝试来提高镁合金的延性，如通过合金元素添加、粒子受激形核、形成基底-随机异质织构、激活非基底滑移等。一般来说，延性的提高通常伴随着强度的降低。材料可以是强的，也可以是强的韧性，但很难同时兼具。因此，克服强延性权衡的瓶颈仍然是材料科学的主要挑战。

最近，一些新颖的异质微结构设计已经成为增强强度-延性平衡的有效策略。异质结构材料的特点是不同的成分和在长度尺度、相、模型或硬度上的畴，如异质片层结构、谐波(核-壳)结构、多峰/双峰结构、梯度结构、层压结构、双相/多相结构，以及动态增强的异质结构等。非均质微结构在规避强度-延性权衡困境方面表现出优势。问题在于如何利用异质组织实现镁合金的协同强化。据报道，由超细晶粒(UFGs) /细晶粒(FGs)和粗晶粒(CGs)组成的双峰晶镁合金可以实现近乎完美的强度-延性协同。高强度主要归功于FGs，双模态晶粒结构和弱化的基面织构有利于的高延性。Li等通过粗细晶粒交替层的特殊设计，报道了纯钛的超高屈服强度(YS)。因此，它被认为是双模态晶粒结构和粗细相间晶粒结构的结合细晶粒层可能是进一步改善力学性能的一种潜在策略镁合金的性能。

ZK60镁合金作为Mg-Zn基合金的典型代表，作为工程材料已被广泛应用。它具有许多优点:(1)是一种不含稀土元素的高性价比的商业镁合金;(2)是一种变形镁合金;(3)是典型的时效强化镁合金;(4)具有高热导率。因此，西安交通大学孙军院士团队选择了ZK60 Mg合金，并成功设计开发了一种新型的非均质纤维结构ZK60 Mg合金，由粗细晶粒层交替构成，晶粒内部分布有纳米级析出相。与目前报道的大多数Mg-Zn基合金相比，这种合金表现出了优越的屈服强度和延展性。与独特的显微组织相关的高力学性能的内部机制已被详细说明。相关研究成果以题“Heterogeneous fiberous structured Mg-Zn-Zr alloy with superior strength-ductility synergy”发表在金属顶刊Journal of Materials Science & Technology上。

链接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2022.06.021

异质纤维结构ZK60合金表现出优异的力学性能合金的YS为~ 345 MPa, UTS为~370 MPa，应变为~ 20.5%，而均匀时效ZK60合金YS为~ 175 MPa, UTS为~ 300 MPa，应变为~17.1%。这种新型的异质纤维结构实现了优异的强延性协同。

纤维结构的异质化、粗粒层与细粒层的交替以及锥体

位错的形成，是增强韧性的主要原因。锥体滑移的高施密德因子(~ 0.42)和几何协调因子(m′> 0.7)导致相邻粗晶和细晶之间发生完全滑移转移，有助于释放晶界内的应力集中，避免早期断裂。

形成异质纤维结构双峰晶粒、纳米级析出相和大量位错，获得了较高的屈服强度。晶界强化对总强度的贡献最大(~ 63%)，Orowan强化贡献约19%，位错贡献约17%。强化的固溶体似乎相当小，与整体屈服强度相比可以忽略不计。

图1所示。(a)异质ZK60样品方位图，(b) (a)中白色虚线框标记区域的高倍图像，(c) (b)的KAM图，(d)极整个数据集的图，(e)包含细等轴晶粒和粗行堆积晶粒的整体DRXed晶粒的取向图，(f)长拉长晶粒的取向图，(g)整个DRXed晶粒集的IPFs， (h)粗DRXed晶粒子集，(i)细DRXed晶粒子集和(j)长拉长unDRXed晶粒子集。(a)、(e)、(f)和IPFs (g-j)的取向图参照ED构建，(a)底部的示意图显示了观察平面、挤压方向和拉伸方向。

图2所示。(a)显示双峰粒度分布的IPF， (b)粒度统计，(c){12̅12}<1̅21̅3>宏观施密特因子分布，(d)施密特因子值统计数据。截面用EBSD表征，ED表示在(a)中。

图3所示。无挤压固溶ZK60合金的EBSD表征，(a) IPF显示均匀等轴晶粒，(b)晶粒尺寸统计表明晶粒尺寸分布均匀。

图4所示。挤压后峰时效ZK60合金的TEM图像显示，(a)<011̅0>和(c)<0001>方向可见棒状析出相带轴。插图中的(b)和(d)是相应的选定区域电子衍射图样。(e)杆长和(f)杆径尺寸分布直方图纳米沉淀。

图5所示。无挤压峰时效ZK60合金的TEM图像，显示棒状(a)<011̅0>和(c)<0001>方向可观察到成形的析出相带轴。插页中的(b)和(d)是相应的选定区域电子衍射模式。(e)杆长和(f)杆径尺寸分布直方图纳米沉淀。

图6所示。均相和非均相ZK60合金的力学性能，(a)时效强化响应作为时效时间的函数，(b)典型拉伸(a)、(c)屈服点所对应的工程应力-应变曲线强度与总伸长率的对比，我们的ZK60合金和其他报道的Mg-Zn基合金，(d)点对应的加工硬化速率和真实应力-应变曲线标记为(a)。

图7所示。利用(a, b) g = 0002α， (c, d) g = 011̅0α， (e, f) g = 011̅1α观测到的晶粒TE像，电子束方向接近(21̅̅1 0)α。(a, c, e)为双光束明场图像，(b, d, f)为弱光束暗场图像图像。

图8所示。晶粒A局部区域位错结构分析。(a)一组双光束明亮视场高放大倍率图像，

(b)< a >和< c + a >检查区域的脱位

图9所示。晶粒B局部区域位错结构分析。

图10所示。晶粒C局部区域位错结构分析。(a)(b)放大的(a)双光束明场图像，和(c)弱光束暗场图像，(d)显示识别< a >的示意图检查区域的位错。

图11所示。晶粒D局部区域位错结构分析。(a)双光束亮场图像和(b)弱光束暗场图像，(c)显示被检查的金字塔< a >混合位错的识别示意图区域。

总之，粗细晶粒层组成的非均匀纤维结构Mg-Zn-Zr合金有利于强度和延性的协同提高。组织设计是开发具有高力学性能的先进hcp金属的有效策略。