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鎂合金中多種析出相的位向關(guān)系和形貌形成

發(fā)布時(shí)間：2021-06-23 作者：axc 分享到：

鎂合金中多種析出相的位向關(guān)系和形貌形成

析出相變是強(qiáng)化鎂合金的重要途徑，其發(fā)生的熱力學(xué)條件是合金元素在Mg中的固溶度隨溫度降低而**下降。這樣的合金元素有Sn、Al、Zn和稀土（RE）等，因此Mg-Sn、Mg-Al、Mg-Zn和Mg-RE發(fā)展成了代表性的可時(shí)效強(qiáng)化鎂合金體系。在室溫下和應(yīng)變速率為10-3 s-1數(shù)量級(jí)時(shí)，大多數(shù)鑄態(tài)鎂合金的屈服強(qiáng)度（YS）＜180 MPa、抗拉強(qiáng)度（UTS）＜270 MPa、伸長(zhǎng)率（EL）＜22%。將塑性加工與時(shí)效強(qiáng)化結(jié)合，能夠獲得YS＞400 MPa、UTS＞425 MPa、EL＞5%的高強(qiáng)鎂合金。時(shí)效強(qiáng)化的本質(zhì)是形成析出相阻礙缺陷運(yùn)動(dòng)，其強(qiáng)化效果由析出相的形貌、相界面結(jié)構(gòu)、體積分?jǐn)?shù)、密度和分布等因素決定。其中，前兩個(gè)因素是析出相變晶體學(xué)研究的核心。析出相的形貌由相界面定義，宏觀平直的相界面稱為刻面，其原子尺度的結(jié)構(gòu)可能仍然平直或者呈臺(tái)階狀。面積大的刻面為主刻面，它的取向**影響析出相對(duì)缺陷運(yùn)動(dòng)的阻礙效果。當(dāng)片狀析出相的主刻面與孿晶面平行時(shí)，對(duì)孿晶界遷移的釘扎效果強(qiáng)；基于Orowan方程，推導(dǎo)出主刻面//{10-10}Mg的片狀析出相具有比主刻面//(0001)Mg的片狀析出相、長(zhǎng)軸//[0001]Mg的棒狀析出相和球狀析出相更大的強(qiáng)化作用。析出相變晶體學(xué)能夠解釋某種取向的刻面擇優(yōu)出現(xiàn)的原因，為深入認(rèn)識(shí)固態(tài)相變并開(kāi)展知識(shí)-數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的材料設(shè)計(jì)提供了科學(xué)基礎(chǔ)。

擇優(yōu)出現(xiàn)的刻面通常是奇異界面，其奇異性是指界面能在全域或局部低。如果析出相與合金基體之間有可重復(fù)出現(xiàn)的位向關(guān)系（OR），那么析出相的刻面（尤其是主刻面）往往也具有可重復(fù)出現(xiàn)的特定取向。此時(shí)，界面能的奇異性對(duì)應(yīng)了奇異的界面結(jié)構(gòu)，也就是說(shuō)，奇異界面取向的任何微小偏離，都會(huì)在界面上引入至少一組缺陷，包括界面位錯(cuò)和臺(tái)階，導(dǎo)致界面能升高。多種合金體系的研究證實(shí)，奇異界面具有位錯(cuò)-好區(qū)結(jié)構(gòu)，其中，好區(qū)是析出相與合金基體之間晶格/原子理想匹配的區(qū)域，相鄰好區(qū)之間分布有界面位錯(cuò)。在鎂合金中，許多析出相具有復(fù)雜原子結(jié)構(gòu)，例如Mg32(Al, Zn)49和Mg2Sn晶體的元胞中分別有162個(gè)和12個(gè)原子，直接計(jì)算它們與鎂基體的界面能很困難。此時(shí)，結(jié)合O點(diǎn)陣和Δg平行法則的奇異界面模型，在計(jì)算界面取向和結(jié)構(gòu)等方面的精度和速度優(yōu)勢(shì)尤為突出。

上述優(yōu)勢(shì)在Mg/Mg2Sn相變體系中集中體現(xiàn)。該體系發(fā)生從HCP結(jié)構(gòu)鎂基體到FCC結(jié)構(gòu)Mg2Sn析出相的固態(tài)相變，已報(bào)道的OR有10余種，包括多種無(wú)理OR（即不能完全用低指數(shù)晶向/晶面平行來(lái)定義的OR），如圖1所示。這些無(wú)理OR型Mg2Sn析出相具有傾斜于(0001)Mg的高指數(shù)主刻面（見(jiàn)圖1b），它們對(duì)鎂基面位錯(cuò)滑移的阻礙效果更強(qiáng)，具有更高的強(qiáng)化效果。通過(guò)奇異界面理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)（見(jiàn)表1），所有高指數(shù)主刻面的面法向都平行于Δg//ΔgP。Δg = gα - gβ，其中，gα和gβ分別為Mg基體（α相）和析出相（β相）中低指數(shù)晶面對(duì)應(yīng)的倒易矢量；ΔgP = gαP - gβP，其中，gαP和gβP分別為定義相界面好區(qū)結(jié)構(gòu)的兩相倒易矢量。面法向平行于Δg矢量的面是Moiré面，它的局部能出現(xiàn)好區(qū)；面法向平行于ΔgP矢量的面是O點(diǎn)陣面，它的結(jié)構(gòu)使得局部好區(qū)周期性擴(kuò)展至整個(gè)面，形成位錯(cuò)-好區(qū)結(jié)構(gòu)。因此，Δg//ΔgP具有明確的物理意義，它定義了析出相與合金基體之間的位向關(guān)系，在這個(gè)位向關(guān)系下，面法向平行于Δg//ΔgP的相界面是奇異界面。由此可知，用Δg//ΔgP表示位向關(guān)系（如表1所示）更貼近析出相變的物理本質(zhì)。Δg//ΔgP可以在TEM衍射斑中直接測(cè)出，為快速確定奇異界面提供了方法。在解釋具有多個(gè)高指數(shù)刻面的OR5型Mg2Sn析出相（見(jiàn)圖1c）的過(guò)程中，發(fā)展出了二次重位點(diǎn)陣模型，揭示了相界面通過(guò)應(yīng)變能的小幅提升實(shí)現(xiàn)好區(qū)周期性分布的優(yōu)化從而降低界面能的機(jī)理。

圖1 鎂合金中的Mg2Sn析出相：（a）7種基面析出相，（b）6種非基面析出相，（c）形貌相似的OR3型和OR5型基面析出相，（d）OR8型和OR9型非基面析出相

表1 Mg2Sn析出相的高指數(shù)主刻面法向平行于Δg//ΔgP，θOR是OR的測(cè)量與計(jì)算結(jié)果間的誤差，b是計(jì)算得到的界面位錯(cuò)伯氏矢量

上述基于奇異界面理論對(duì)位向關(guān)系、擇優(yōu)界面取向和結(jié)構(gòu)的分析具有推廣性，已成功用于Mg/Mg17Al12、Mg/Mg32(Al, Zn)49和Mg/Mg54Ag17等多個(gè)鎂合金析出相變體系中。此外，對(duì)于有理位向關(guān)系且析出相的擇優(yōu)生長(zhǎng)方向?yàn)殒V基體低指數(shù)晶向的情況，通過(guò)簡(jiǎn)單的錯(cuò)配計(jì)算即可解釋，例如Mg-Nd合金中的析出序列，如圖2所示。以奇異界面理論為主線，從低能界面結(jié)構(gòu)的角度，揭示了鎂合金中多種析出相的位向關(guān)系和形貌形成的物理本質(zhì)。