[論文レビュー] Solid solution and precipitation strengthening effects in basal slip, extension twinning and pyramidal slip in Mg-Zn alloys

Nan Li, Chuanyun Wang+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 7, 2021

Magnesium Alloys: Properties and Applications参考文献 29被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、拡散カップルとナノ機械的試験を組み合わせた高スループット法を開発し、Mg-Zn合金における固体拡散および析出強化が基底滑り、延長 twins、斜方滑りに与える臨界すべり応力（CRSS）の変化を直接測定した。その結果、MgZn₂析出相は固体拡散状態のZnに比べ、基底滑りおよび延長 twins の両方を顕著に強化するが、斜方滑りは両状態で同程度に強化されることが判明した。これにより、析出強化合金では固体拡散合金に比べて異方性比が顕著に低下することが示された。

ABSTRACT

A high-throughput methodology is proposed, based on the combination of diffusion couples and advanced nanomechanical testing methods, to directly measure alloying effects on the critical resolved shear stress (CRSS) of individual deformation modes in Mg alloys. The methodology is tested in Mg-Zn alloys by assessing the alloying effects, up to Zn contents of 2 at.%, on basal slip, extension twining and pyramidal slip in two metallurgical condition: as-quenched, for which the Zn solute atoms remain homogenously dispersed in solid solution; and peak-aged, for which the Zn atoms form rod-shape $MgZn_{2}$ precipitates. A combined approach including micromechanical testing, transmission Kikuchi diffraction, and high-resolution transmission electron microscopy was performed to reveal the corresponding deformation mechanisms. It was found that the CRSS enhancement for basal slip and extension twinning by $MgZn_{2}$ precipitates is considerably larger than the effect of Zn in solid solution, while the strengthening of pyramidal slip is similar in both cases. As a result, the anisotropy ratios remain high and similar to pure Mg in the solid solution strengthened Mg-Zn alloys. However, they are substantially reduced in precipitation strengthened Mg-Zn alloys.

研究の動機と目的

• Mg合金における個々の変形モードに及ぼす合金化効果を直接測定する高スループット手法の開発。
• Mg-Zn合金における基底滑り、延長 twins、斜方滑りに及ぼす固体拡散および析出強化の相対的寄与を定量すること。
• 特に、急冷処理（固体拡散状態）および最適時効（析出相含有状態）の微細構造状態が変形抵抗および異方性に与える影響を評価すること。
• Znが固体拡散状態かMgZn₂析出相中に存在するかが、主要な変形メカニズムの臨界すべり応力にどのように寄与するかを明確にすること。

提案手法

• 溶質濃度を段階的に変化させられるように、Mg合金に勾配を持つZn濃度分布を有する拡散カップルを用いて、溶質含有量の系統的変化を実現した。
• ナノインデンテーションおよびマイクロ圧縮試験を用いて、異なるZn濃度における個々の変形モードのCRSSを測定した。
• 結晶学的方位と変形活動をマッピングするために、高解像度トランスミッションキクチ図（TKD）を用いた。
• MgZn₂析出相の形状および分布を特徴付けるために、高分解能透過型電子顕微鏡（HRTEM）を用いた。
• 機械的応答と微細構造を関連付けることで、固体拡散強化と析出強化の効果を分離した。
• 急冷処理および最適時効状態における基底滑り、延長 twins、斜方滑りのCRSS増強量を測定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Znが固体拡散状態に存在する場合、Mg-Zn合金の基底滑りの臨界すべり応力（CRSS）にどのように影響を与えるか？
• RQ2 MgZn₂析出相の形成は、固体拡散強化に比べて、Mg-Zn合金の延長 twins のCRSSにどのように影響を与えるか？
• RQ3 固体拡散および析出強化が、Mg-Zn合金における斜方滑りに及ぼす相対的寄与は何か？
• RQ4 急冷処理および最適時効状態のMg-Zn合金において、CRSS増強の観点から強化機構はどのように異なるか？
• RQ5 析出強化は、Mg-Zn合金の変形モードの異方性比をどの程度変化させるか？

主な発見

• MgZn₂析出相は、固体拡散状態のZnに比べ、基底滑りのCRSSを顕著に増強する。これは析出相による支配的強化効果を示している。
• MgZn₂析出相による延長 twins のCRSS増強は、固体拡散状態のZnによるものよりも顕著に大きい。これは、析出相の形状および分布が果たす重要な役割を強調している。
• 斜方滑りは、固体拡散および析出強化の両状態で同程度に強化されるため、両微細構造状態において同程度の抵抗を示すことが示唆された。
• 固体拡散強化状態のMg-Zn合金では、異方性比は純粋なMgと同程度に高く維持され、変形モードの好みに顕著な変化がないことを示している。
• 析出強化状態のMg-Zn合金では、異方性比が顕著に低下しており、基底滑りおよび延長 twins が効果的に強化されているため、より等方的（等方的）な変形応答を示していることが示された。
• 拡散カップル、ナノ機械的試験、TKD、HRTEMを併用することで、変形モードごとのCRSS変化を直接的かつ定量的に測定可能となり、合金設計に向けた強固なフレームワークを提供した。