通过析出-基体界面原子尺度工程抑制孪晶生成！

导读：本文旨在研究颗粒-基质界面处溶质偏析对时效镁合金孪晶活性的影响。为此，首先将二元Mg-8Al合金（重量%）和两个三元Mg-8Al-1Zn和Mg-8Al-1Ag合金（重量%）进行均质化，然后进行时效分析，以获得沉淀物分布来进行比较。可以观察到二元合金中的颗粒基体界面很干净，而三元合金的界面处明显存在Zn和Ag原子偏析。对所研究的3种材料在均质和老化条件下对具有拉伸孪晶取向有利的晶粒进行了室温微柱压缩试验。然后通过电子显微镜表征孪生和滑移的激活。这项研究表明，虽然二元合金没有导致孪晶活性的任何明显变化，它没有阻止形成覆盖整个测试微柱宽度的厚双薄片，但在老化的三元合金中发生了孪晶活性的急剧降低。对于后者，紧张导致属于单个变体的狭窄双片的形成，并且偶尔在微柱内部停滞。我们提出三元合金中孪晶体积分数急剧降低的原因可能是由于Zn和Ag偏析导致颗粒-基体界面能量降低，这将阻碍了这些界面的生成，从而抑制孪晶传播。

车辆轻量化是众所周知的提高可持续交通的策略，特别是对于电动交通工具来说，减轻重量可以缩短充电时间，延长续航时间。镁（Mg）合金由于其低密度和高比强度，被认为具有提高能源效率的巨大潜力。此外，它们具有较高的可回收性，说明了它们的环保性质。然而，镁合金在汽车中的结构应用仍然受到其六方紧密堆积（hcp）晶格固有的一些限制性机械性能的限制，包括与钢或高强度铝合金相比强度低，低温机械各向异性和屈服不对称性，此外，还具有腐蚀敏感性。

尽管在过去的二十年里，人们为了理解镁合金的物理冶金学，试图改善它们的整体力学响应，做出了巨大的努力，但仍有一些基本问题没有得到解答。例如，目前还不清楚如何完全抑制{10-12}平面上的孪生，这是一种相对较软的机制，导致许多合金体系的强度有限，导致各向异性力学行为，特别是导致变形合金中强烈的拉压屈服不对称，严重限制了它们的成形性。

本文的目的是研究沉淀-基质界面处的原子偏析对孪生传播的影响。为此，实验通过铸造和热压缩来制备二元Mg-8 wt.%Al合金和两个三元Mg-8 wt.%Al-1 wt.%锌和Mg-8 wt.%Al-1 wt.%银合金，并将三者峰时效化以形成均匀分布的Mg17Al12（b）沉淀物。实验选择锌和银作为三元合金添加物，为有效防止镁合金中双胞胎扩散的沉淀物原子尺度工程提供了新的指导。

西班牙马德里高等材料研究院(IMDEA)的M.T.Pérez-Prado教授团队和西北工业大学相关研究以“Twin suppression by atomic scale engineering of precipitate-matrix interfaces”为题发表在Acta Materialia上。

链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645423001283

图1

图1所示。（a）预合金粉末的形态和粒度分布，（b）电子束扫描策略，（c）PBF制造的液氢泵叶轮以及（d）同一批次的其他样品。

图2所示，EBSD反极图在表面垂直方向上的绘制多晶镁合金：（a）镁-8重量%铝，（b）镁-8重量.%铝-1重量.%锌，（c）镁-8wt.%Al-1 wt.%Ag.选择用于微柱压缩的颗粒，分别命名为B、B'和B''在每张地图中以粗体字母突出显示。（d）显示反极图法线到曲面的方向（平行于压缩轴相应的微柱压缩测试）以及颜色编码反极图图

图3

图3，高炉STEM（a，c和e）和BF-TEM（b，d和f）老年镁铝的图像（a和b）、镁铝锌（c和d）和镁铝银（e和f）合金。观看是沿着<11 ̅0>（a、c和e）和<0001>（b、d和f）区域轴。长度、宽度和厚度尺寸在（a）和（b）中以图形方式突出显示。

图4

图4，沉淀物-基质界面的高分辨率明场STEM图像老化（a）镁铝，（b）镁铝锌和（c）镁铝银合金。沿着<11 ̅0>区域轴查看。

图5

图5，代表室温应变曲线通过对选定晶粒内进行的微柱压缩测试获得均质合金。（a）镁铝、（b）镁铝锌和（c）镁铝银。蓝色箭头表示作为孪晶成核和传播特征的应变爆发早期变形阶段。

图6

图6.SEM显微照片，显示了在三个微柱中铣削的表面室温压缩成不同应变后的均质合金：（a）镁铝合金，5%应变;（b）镁铝锌合金，5%应变;（c）镁铝银合金，5%应变;（d）镁铝合金，15%应变;（e）镁铝锌合金，15%应变;（f）镁铝银合金，15%应变。红色虚线突出显示孪生区域的边界。这每个显微照片旁边的插图以蓝色表示相应的变形机理

图7

图7，明场TEM图像说明了在在均质合金中铣削并压缩至5%应变的微柱：（a）镁铝，（b）镁铝锌，（c）镁铝银。红色箭头指向孪生边界。选定的区域衍射（SAD）图案作为插图包含在内边。

图8

图8.代表室温工程应变曲线通过对选定的颗粒进行的微柱压缩测试获得合金。（a）镁铝、（b）镁铝锌和（c）镁铝银。

图9

图9. SEM显微照片显示了后代合金微柱的表面室温压缩到不同的菌株：（a）镁铝，5%菌株;（b）镁铝锌，5%应变;（c）镁铝，5%菌株;（d）镁铝，15%菌株;（e）镁铝锌，15%菌株;（f）镁铝，15%菌株。红色虚线突出显示了孪生的边界地区。每个显微照片旁边的插图插图以蓝色表示跟踪相应的变形机制。红色箭头表示金字塔滑移痕迹

图10

图10.明场透射电镜图像显示了老化微柱中的孪生区域5%的压缩应变：（a）镁铝，（b）镁铝锌，（c）镁铝银。红色箭头指向孪生边界（TB）。选定的区域衍射（SAD）图谱为作为插图包含在内。所选区域衍射（SAD）图案中的黄色虚线指示孪生区域内基底平面的方向。有几个景点索引，以便更好地理解晶格内的方向孪生区域。区域轴为<10-10>

图12

图12.基底（a，<11-20>区轴，白色箭头）和金字塔（b，c，<1-100>区轴，红色箭头）在明场条件下成像的双片内位错一种老化的Mg-Al-Ag三元合金微柱，被压缩到7%的应变。

图13

图13.示意图说明一个薄的孪晶（红色）被相对较大的基底阻挡板沉淀（蓝色），并在另一侧重新生成另一个孪生体（橙色）粒子。孪晶和沉淀物尺寸对应于Mg-Al-Ag合金。一个类似的机制也适用于镁铝锌合金。

本工作旨在研究粒子-基体界面溶质偏析对时效Mg-Al合金孪晶活性的影响。综上所述，我们的实验结果表明，三元合金与Zn和Ag在固体中溶液不会阻止形成厚双层微柱，即这些溶质添加不会明显阻碍孪生镁铝合金的传播和生长。在均质条件下，Zn和Ag在固溶体中合金化不严重阻碍孪晶的扩展和生长，也不妨碍形变早期厚孪晶片层的形成。

时效使二元合金和三元合金的析出相在尺寸和数量密度上具有相当的分布。然而，在二元合金中，颗粒-基体界面是“干净的”(即无偏析)，而在三元合金中，锌和银溶质在析出-基体界面大量偏析。在二元合金时效过程中，基体Mg12Al17合金析出不严重妨碍孪晶的生长和扩展。孪晶的面积分数仍然很高，与均质孪晶的面积分数相似。在早期变形阶段形成单一变异的厚双片层。这与析出界面上的孪晶再形核相一致，与之前EVP-FFT模型的预测相一致。

在老化的三元合金中，孪晶活性大大降低。在早期变形阶段，形成了属于单一变体的狭窄的双片层，偶尔在微柱内部发育。孪晶分数急剧下降到4 - 8%之间。由于锌和银的分离，粒子-基体界面能量的降低阻碍了在这些界面的再成核，从而抑制了孪晶传播。孪晶活性受析出相体积分数、尺寸、几何形状和空间分布的影响。这项工作表明，颗粒-基体界面的偏析也必须被认为是影响Mg合金孪生的重要显微结构特征。