[论文解读] 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 5

一句话总结

本研究开发了一种高通量方法，结合扩散偶与纳米力学测试，直接测量Mg-Zn合金中基面滑移、拉伸孪生和棱柱滑移三种形变模式下固溶强化与析出强化引起的临界 resolved shear stress (CRSS) 变化。结果表明，MgZn₂析出相对基面滑移和拉伸孪生的强化作用显著强于固溶Zn，而棱柱滑移在两种状态下受到的强化程度相似，导致析出强化合金的各向异性比远低于固溶态合金。

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.

研究动机与目标

• 开发一种高通量方法，直接测量合金元素对Mg合金中各形变模式CRSS的影响。
• 量化固溶强化与析出强化对Mg-Zn合金中基面滑移、拉伸孪生与棱柱滑移的相对贡献。
• 评估微观结构状态（特别是水淬态（固溶态）与峰值时效态（含析出相））对形变抗力与各向异性的影响。
• 阐明Zn在固溶态与MgZn₂析出相中对关键形变机制临界resolved shear stress的影响机制。

提出的方法

• 采用扩散偶在Mg合金中构建梯度Zn浓度分布，实现溶质含量的系统调控。
• 应用微力学测试（纳米压痕与微压缩）在不同Zn浓度下测量各形变模式的CRSS。
• 结合透射式Kikuchi衍射（TKD）以表征晶体取向与形变活动。
• 利用高分辨透射电镜（HRTEM）表征MgZn₂析出相的形貌与分布。
• 将力学响应与显微组织关联，以分离固溶强化与析出强化的独立效应。
• 测量水淬态与峰值时效态下基面滑移、拉伸孪生与棱柱滑移的CRSS增强量。

实验结果

研究问题

• RQ1 Zn在固溶状态下如何影响Mg-Zn合金中基面滑移的临界resolved shear stress (CRSS)？
• RQ2 与固溶强化相比，MgZn₂析出相的形成如何影响Mg-Zn合金中拉伸孪生的CRSS？
• RQ3 固溶强化与析出强化对Mg-Zn合金中棱柱滑移的相对贡献如何？
• RQ4 在CRSS增强方面，水淬态与峰值时效态Mg-Zn合金的强化机制有何差异？
• RQ5 析出强化在多大程度上改变了Mg-Zn合金中形变模式的各向异性比？

主要发现

• MgZn₂析出相对基面滑移的CRSS增强作用显著强于固溶Zn，表明析出相具有主导强化效应。
• MgZn₂析出对拉伸孪生的CRSS增强远大于固溶Zn，凸显析出相形貌与分布的关键作用。
• 棱柱滑移在固溶与析出两种状态下受到的强化程度相近，表明该形变模式在两种微观结构状态下的抗力相似。
• 在固溶强化Mg-Zn合金中，各向异性比保持较高且接近纯Mg，表明形变模式偏好性变化极小。
• 在析出强化Mg-Zn合金中，各向异性比显著降低，表明基面滑移与拉伸孪生的有效强化使形变响应更加各向同性。
• 结合扩散偶、纳米力学测试、TKD与HRTEM，可实现对各形变模式CRSS变化的直接、定量测量，为合金设计提供了稳健的框架。