MgYZn合金中纳米尺度长周期堆垛有序相之间基面位错的原位透射电镜表征
发布时间：
2024-04-28
长周期堆垛有序相（Long-period stacking ordered phase，LPSO phase）的存在和特征是材料科学和工程领域科研人员的研究重点。稀土镁合金中的长周期堆垛有序结构相（Long-period stacking ordered phase, LPSO phase）能有效提高镁合金强度和加工硬化。
长周期堆垛有序相（Long-period stacking ordered phase，LPSO phase）的存在和特征是材料科学和工程领域科研人员的研究重点。稀土镁合金中的长周期堆垛有序结构相（Long-period stacking ordered phase, LPSO phase）能有效提高镁合金强度和加工硬化。通常认为，LPSO相的惯习面与镁合金基面位错的滑移面平行，所以LPSO相对非基面位错的滑移和变形孪晶的扩展有阻碍作用。
但是，力学实验结果表明，镁合金基面滑移的屈服强度随着LPSO相间距的减小而增加。特别地，当LPSO相间距减小至纳米尺度时，镁合金基面滑移强度具有明显提升。这一反常的力学性能意味着可以通过调控LPSO相间距实现镁合金基面滑移强度的提升，但是背后的机理以及调控方法等尚存争议，这就要求我们从纳米尺度理解LPSO相对镁合金对基面变形的影响。
目前关于原位研究LPSO相调控镁合金的实验仍存在几个问题：(1) 在纳米间距LPSO相之间，镁合金能否产生基面位错？(2) 纳米尺度LPSO相间距对镁合金基面位错的运动是否有影响？是否存在影响基面位错运动的临界间距？(3) 影响基面位错运动的主要因素是什么？
针对以上问题，上海交通大学刘悦老师团队利用泽攸科技原位TEM纳米压缩技术（一种将透射电子显微镜与纳米压痕相结合的技术），在纳米尺度研究了含有不同相间距的 LPSO 相的Mg97Y2Zn的机械性能。他们重点关注了相间距在100 nm 和 200 nm内的位错活动。研究结果表明，LPSO相的间距在控制基底位错的运动中起着关键作用，进而影响合金的变形行为。这种发现对于高强度镁合金的设计和开发至关重要，同时也可以对材料科学和工程领域的相关研究产生启发，因为在纳米尺度上操纵位错行为可以为开发具有定制机械性能的先进结构材料的提供见解。论文第一作者为上海交通大学博士李全，通讯作者为美国内布拉斯加大学（林肯分校）王健教授、上海交通大学刘悦长聘副教授和曾小勤教授。
相关研究成果以“In-situ TEM characterization of basal dislocations between nano-spaced long-period stacking ordered phases in MgYZn alloy”为题发表在金属材料顶级期刊 《Scripta Materialia》上。
原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S135964622300324X?via%3Dihub
原位TEM结果表明，在纳米尺度LPSO相层间的镁合金基体中可以产生基面位错，并且基面位错可以滑移（图2）。基于原位TEM观察结果的统计结果表明，镁合金基面位错的运动活性与LPSO相间距相关，并且位错活性随LPSO相间距减小而减弱（图3）。特别地，当LPSO相间距小于20 nm时，基面位错活性明显降低。因此，可以认为LPSO相影响基面位错运动的临界间距约为20 nm。原子尺度STEM观察结果表明，在LPSO相周围存在局部高浓度的稀土溶质原子（图4）。
（图2）Basal dislocations in Mg channels between nano-spaced LPSO phases.
（图3）Activity of basal dislocations in various spacing of LPSO phases.
（图4）Microstructural characters associated with nano-spaced LPSO phases.
本工作从实验上证实了稀土镁合金基面位错滑移能力与LPSO相的尺寸相关性。
1、有效临界相间约20nm：发现了LPSO相阻碍镁合金基面位错运动的临界间距约为20 nm。
2. 固溶强化效应：研究证明了“强溶质钉扎效应”，在本例中指镁合金中的锌和钇原子，这种局部固溶原子能够阻碍位错在镁合金中移动。澄清了影响LPSO相层间镁合金基面位错运动的主要因素是局部固溶原子的固溶强化效应。
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