近日，上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院彭立明教授對(duì)Mg-Y-Nd合金析出相演化機(jī)理研究取得重要進(jìn)展，相關(guān)研究成果以“On the evolution of β1/β′ coupled-structures in Mg–Y–Nd alloys: A simulation study”為題在線發(fā)表在國(guó)際著名期刊Acta Materialia上（Acta Mater. 281（2024）120353）。材料學(xué)院劉泓副教授為第一作者，劉泓副教授、彭立明教授和澳大利亞莫納什大學(xué)聶建峰教授為共同通訊作者。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金(Grant No. 52101018, 52374392）和上海市浦江人才計(jì)劃（No. 21PJ1405800）的支持。

圖文解析

在Mg–Y–Nd等沉淀強(qiáng)化鎂合金中，其主要強(qiáng)化析出相β1和β′常常形成耦合結(jié)構(gòu)，其中β′析出物附著在β1的兩端，呈啞鈴狀結(jié)構(gòu)。核心問(wèn)題是，隨時(shí)效時(shí)間延長(zhǎng)，當(dāng)β1在沿其慣習(xí)面生長(zhǎng)時(shí)，附著的β′析出物如何演變。

為了解決這一問(wèn)題，本研究采用基于三維相場(chǎng)方法的多尺度模型，模擬β1和β′沉淀顆粒在β1/β′耦合結(jié)構(gòu)中的演變過(guò)程。通過(guò)透射電鏡實(shí)驗(yàn)觀察和三維相場(chǎng)模擬結(jié)果表明，在β1/β′耦合結(jié)構(gòu)中，β1沉淀顆粒呈板條狀，β′顆粒附著在β1的兩端并沿[0001]方向延伸。隨著時(shí)效時(shí)間增加，β1沉淀顆粒沿慣習(xí)面生長(zhǎng)，其長(zhǎng)度持續(xù)增加，而附著的β′析出物僅在β1延伸方向生長(zhǎng)，另一方面則會(huì)溶解。這種現(xiàn)象造成了β′析出物在固相鎂基體中看似“移動(dòng)”的視覺(jué)效果。

該現(xiàn)象受化學(xué)自由能和彈性應(yīng)變能的相互作用影響。化學(xué)自由能促進(jìn)β′析出物的各向同性生長(zhǎng)；同時(shí)，由β′析出物及其附著的β1顆粒末端的應(yīng)力場(chǎng)導(dǎo)致的彈性應(yīng)變能促使β′析出物的一側(cè)生長(zhǎng)而另一側(cè)溶解。

當(dāng)耦合結(jié)構(gòu)的演變受附近其他耦合結(jié)構(gòu)的影響時(shí)，β′析出物的演變受彈性應(yīng)變能驅(qū)動(dòng)?？傮w而言，β′析出物在拉伸應(yīng)力場(chǎng)中傾向于生長(zhǎng)，而在壓縮應(yīng)力場(chǎng)中則傾向于溶解。以上發(fā)現(xiàn)為理解鎂合金中的析出物演變提供了重要的理論基礎(chǔ)。

 近年來(lái)，在丁文江院士的大力支持下，彭立明教授團(tuán)隊(duì)在鎂稀土合金材料開(kāi)發(fā)與成形技術(shù)方面取得了一系列原創(chuàng)性科研成果，旨在推動(dòng)我國(guó)高性能鎂稀土合金的發(fā)展與應(yīng)用。

圖1 β1/β′耦合結(jié)構(gòu)演化的三維相場(chǎng)模擬結(jié)果

圖2 當(dāng)時(shí)間步長(zhǎng)為10000時(shí)，在（0001）截面，β1/β′耦合結(jié)構(gòu)形貌及演化不同時(shí)間時(shí)，耦合結(jié)構(gòu)的β1和β′顆粒的輪廓。

圖3 β1/β′耦合結(jié)構(gòu)演化時(shí)β′界面處的能量分析：（a）只考慮化學(xué)能和界面能，（b）同時(shí)考慮化學(xué)能、界面能和彈性能，(c) 只考慮彈性能

圖4 三組β1/β′耦合結(jié)構(gòu)逐漸靠近時(shí)，β1和β′析出相的演化過(guò)程。

來(lái)源：輕合金精密成型國(guó)家工程研究中心