鎂合金高溫強度的改善有利于拓寬其在許多領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，提高鎂合金的高溫力學性能常用的方法是在合金中引入高溫力學性能優(yōu)異的Laves相，具有六邊形C14結(jié)構(gòu)的Mg2Ca、Mg2Yb相以及C36結(jié)構(gòu)的(Mg, Al)2Ca相都是較好的選擇。然而Laves相具有明顯的室溫脆性，嚴重影響著鎂合金的塑性。
最近，日本大阪大學的K. Hagihara教授課題組基于定向凝固工藝制備出具有層狀微結(jié)構(gòu)的Mg/Mg2Yb和Mg/Mg2Ca共晶合金，并通過對層狀微結(jié)構(gòu)施加平行方向的應(yīng)力，誘導出扭折帶結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生，從而使得鎂合金的高溫屈服應(yīng)力和延展性得以改善。研究表明，由于層狀界面的結(jié)晶學特征，Mg/Mg2Yb共晶合金中扭折帶結(jié)構(gòu)的形成主要受軟韌相Mg的控制。Mg/Mg2Yb中部分擾動層狀組織的存在對誘導合金中均勻小扭折帶的形成起到了有效作用，這使得在塑性變形過程中不會形成微裂紋，導致Mg/Mg2Yb (300 C) 相對于Mg/Mg2Ca (400 C)可能變形溫度降低。同時，闡明了組成相中的有效滑移面與層狀界面之間的幾何關(guān)系，以及為扭折帶結(jié)構(gòu)的形核提供位置是控制其形成的重要因素。該工作為開發(fā)使用扭折帶的高強度結(jié)構(gòu)材料提供了基礎(chǔ)理論研究。
采用SEM-EBSD技術(shù)分析了在Mg-Yb合金橫截面上獲得的典型晶體取向結(jié)果，如圖1(a, b)所示。通過分析，在片層中確定了Mg和Mg2Yb之間的一些晶體取向關(guān)系，如圖1(c, d)所示。情形A：層狀界面：(11-21)Mg2Yb (1-100)Mg；生長方向：[-1-126] Mg2Yb [-1-120]Mg。情形B：層狀界面：(10-11)Mg2Yb (11-22)Mg；生長方向：[0001] Mg2Yb [-1-123]Mg。
圖1 (a, b) 使用SEM-EBSD分析DS Mg/Mg2Yb合金橫截面中的典型晶體取向圖；(c, d) 對應(yīng)的極坐標分析圖，物相借助EDS進行區(qū)分
進一步采用SEM-EBSD分析變形的Mg/Mg2Yb試樣，以檢查扭折帶的結(jié)晶特征。圖2(a)顯示了變形區(qū)域的典型晶體取向圖。如黑色箭頭所示，通過薄層的彎曲可以識別許多扭折帶的引入。圖2(b)顯示了未變形區(qū)域晶體旋轉(zhuǎn)角度相對于變形帶中的基體的分布。旋轉(zhuǎn)角度的定義如圖2(b)所示，晶體旋轉(zhuǎn)角度具有約5 至約70 的廣泛分布。這一特征不同于在變形孿晶中，在變形孿晶中，晶體旋轉(zhuǎn)角度是固定的，因為它們相對于基體具有明確的晶體取向關(guān)系。圖2(b)中的結(jié)果表明，變形帶不是變形孿晶，而是變形扭折帶。圖2(c, d)顯示了典型變形扭折帶的晶體取向圖，其中的顆粒分別對應(yīng)于圖1(a, b)中所示的聚集顆粒，圖中的薄層分別滿足“情形A”和“情形B”的取向關(guān)系。當平行于層狀界面施加應(yīng)力時，無論Mg和Mg2Yb之間的晶體取向關(guān)系是否不同，都會形成扭折帶。
圖2 (a) 采用SEM-EBSD在400 C下以0 方向變形至5%塑性應(yīng)變的Mg/Mg2Yb試樣中測量的典型晶體取向圖；(b) 變形帶中未變形區(qū)域晶體旋轉(zhuǎn)角度相對于基體的分布； (c, d) 典型變形帶的高倍率晶體取向圖。圖中的聚集顆粒對應(yīng)于圖1的情形A和情形B
圖3顯示了在不同溫度下壓縮的Mg/Mg2Yb合金的典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線。在0 方向，一些試樣可能在300 C下變形，但在屈服后立即斷裂，伴隨著0.3 %的塑性應(yīng)變。然而，在400 C時可能發(fā)生顯著的塑性變形。相比之下，在45 方向300 C時可能發(fā)生大于5%的變形。應(yīng)力-應(yīng)變曲線的形狀因加載方向而異。在45 方向也觀察到屈服下降，但在45 方向流動應(yīng)力的下降較小。圖3還展示了在400 C下變形的Mg/Mg2Ca合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，以供比較。在Mg/Mg2Ca合金中，0 取向的屈服強度下降情況看起來比Mg/Mg2Yb更為顯著。
圖3 在不同溫度下以0 和45 方向變形的Mg/Mg2Yb合金的典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線；以及在400 C下變形的Mg/Mg2Ca合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線
綜上所述，本研究利用在層狀結(jié)構(gòu)鎂合金的平行方向施加應(yīng)力來誘導扭折帶結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生，從而提高鎂合金的高溫屈服強度和塑性變形能力。軟韌相與脆性相交錯的層狀結(jié)構(gòu)有效避免了金屬間化合物聚集而引發(fā)的微小裂紋。同時較硬的脆性相很好地阻止了剪切應(yīng)變在片層界面上的傳播，限制平行于片層界面的變形，并導致扭折帶的形成。這為利用微結(jié)構(gòu)控制高溫鎂合金中扭折帶結(jié)構(gòu)的形成，和改善含Laves相的高溫鎂合金的力學性能奠定了基礎(chǔ)。
