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鎂合金是最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，在汽車(chē)、航空航天等領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)輕量化方面有廣闊的應(yīng)用前景。然而，鎂的晶體對(duì)稱(chēng)性低，導(dǎo)致其室溫可加工性差。這個(gè)缺點(diǎn)推高了鎂合金零件的制備成本，嚴(yán)重削弱了這種材料的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。材料可加工性受到拉伸延伸率和加工硬化率兩個(gè)因素的影響。采用添加稀土元素、晶粒細(xì)化、析出強(qiáng)化等傳統(tǒng)方法，一般只能提高鎂合金的拉伸延伸率或加工硬化率中的一項(xiàng)，難以同時(shí)提高兩項(xiàng)。

上海交通大學(xué)材料學(xué)院輕合金研究所的王樂(lè)耘研究員和曾小勤教授團(tuán)隊(duì)，在熱力學(xué)計(jì)算的指導(dǎo)下設(shè)計(jì)了一種新型的Mg-Al-Ca三元合金。通過(guò)精確設(shè)定合金元素Al和Ca的含量以及熱處理?xiàng)l件，使成型材料中僅析出Al2Ca相，而避免了對(duì)塑性有害的Mg2Ca和Mg17Al12相。與鎂中的常規(guī)析出相不同，這種Al2Ca相具有亞微米級(jí)尺寸，且其晶體取向隨機(jī)。這些Al2Ca析出相一方面阻礙鎂基體中的位錯(cuò)滑移，提高材料的加工硬化率。另一方面，Al2Ca析出相本身具有類(lèi)似面心立方的晶體結(jié)構(gòu)，可以在其{111}晶面上形成位錯(cuò)和堆垛層錯(cuò)而啟動(dòng)塑性變形。Al2Ca相的內(nèi)部塑性有效消除了局部應(yīng)力集中，使材料能夠保持高延伸率。此外，溶質(zhì)Al和Ca抑制孿晶形核，同時(shí)促進(jìn)了位錯(cuò)，這些也有利于材料的延伸率提升。由于上述機(jī)制，這種合金的室溫延伸率高達(dá)27%，加工硬化量(以拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度之差表示)可達(dá)135MPa。上述性能組合高于已知的所有鎂合金。這種具有超高可加工性的新型Mg-Al-Ca合金無(wú)需使用昂貴的稀土元素，通過(guò)普通的擠壓工藝一步成型，因此其生產(chǎn)成本很低，有很好的實(shí)際應(yīng)用前景。

圖1. (A)運(yùn)用Thermo-Calc作熱力學(xué)計(jì)算，確定合適的熱處理?xiàng)l件及對(duì)應(yīng)的相組分;(B)運(yùn)用TKD技術(shù)表征亞微米級(jí)的Al2Ca相;(C)通過(guò)同步輻射衍射對(duì)Al2Ca相的體積分?jǐn)?shù)做定量分析;(D)Al2Ca相內(nèi)部的堆垛層錯(cuò)變形;(E)晶格應(yīng)變分析表明Al2Ca相對(duì)材料具有強(qiáng)化作用;(F)Mg-Al-Ca合金與其他合金的延伸率及加工硬化量的對(duì)比;(G)Mg-Al-Ca合金的微觀(guān)變形機(jī)制小結(jié)。

該工作以“Highly deformable Mg–Al–Ca alloy with Al2Caprecipitates”為題發(fā)表在金屬材料領(lǐng)域頂級(jí)期刊Acta Materialia上(https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.09.006)。博士生朱高明為論文第一作者，王樂(lè)耘研究員為論文通訊作者。論文主要合作者還包括美國(guó)內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校的王健教授以及美國(guó)APS光源的Jun-Sang Park博士。

該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、青年長(zhǎng)江學(xué)者獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃、上海市青年科技啟明星計(jì)劃的支持。