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东北大学《JMST》全氧化AgMgNi合金团簇强化和晶粒细化增韧机理

材料学网 · 公众号 · · 2024-12-12 20:08

正文

导读 : 追求高强度和高韧性的银基合金是一个长期存在的挑战。在本研究中，我们研究了 AgMgNi 合金的团簇强化和晶粒细化增韧机制，该合金在 800 ° C 氧气气氛下进行 8 h 内氧化。我们发现 Mg-O 团簇通过固溶体强化效应对 AgMg 合金的硬化（ 138 HV ）和强化（ 376.9 MPa ）做出了贡献，但牺牲了延展性。为了解决这一限制，我们在 AgMg 合金中引入了 Ni 纳米颗粒，从而在其微观结构中产生了显着的晶粒细化。其中，氧化 AgMg 合金的晶粒尺寸从 67.2 μ m 减小到含 0.3 wt% Ni 的 AgMgNi 合金的 6.0 μ m 以下。氧化 AgMg 合金的韧性值为 2177.9 MJ m ^- ³，氧化 AgMgNi 合金的韧性值为 6186.1 MJ m ^- ³，提高了 2.8 倍。内部氧化 AgMgNi 合金的强度达到 387.6 MPa ，与内部氧化 AgMg 合金相当，成功实现了同时强化和增韧。这些结果共同为通过团簇强化和晶粒细化增韧的协同结合来设计高性能合金提供了一种新的方法。

开发具有强度、韧性和延展性协同组合的高性能金属合金仍然是各个工程领域的关键目标。内氧化 AgMg 基合金最近在这方面引起了极大的关注。 内部氧化过程有利于形成明显的微观组织特征，从而获得优异的力学性能 。这些特性使它们在航空航天继电器、电源开关和电子元件中的应用具有很高的吸引力。然而，全面了解内部氧化 AgMg 基合金的微观结构与力学行为之间复杂的相互作用仍然是一个持续的挑战。 AgMg 基合金内部氧化过程中的晶粒粗化被认为是影响材料力学性能的关键因素。先前的研究已经 建立了微观结构演变与机械性能退化之间的相关性 。这些研究强调了晶粒细化策略的必要性，以优化内氧化 AgMg 基合金的力学性能。

AgMg 基合金的内部氧化经常导致形成独特的微观结构特征，称为内部氧化带，这是导致这些材料明显脆化的主要原因。值得注意的是，在 Mg 浓度超过 2% 时，持续观察到内部氧化带形成的开始。 Mg 在高温下的加速扩散促进了溶质的聚集，导致 氧化前沿氧化带的析出 。这些条带的存在起到了重要的屏障作用，阻碍了氧气的进一步进入，从而阻碍了合金的完全氧化。通过降低 Mg 含量来抑制内部氧化带的形成，可以促进内部氧化 AgMg 基合金的充分氧化 ， 提高内部氧化 AgMg 基合金的整体力学性能 。

在本研究中， 东北大学刘绍宏团队 设计了含有 0.24 wt% Mg 的 AgMgNi 合金，以防止内部氧化带的形成。此外引入了不同的 Ni 含量（范围从 0.15 wt% 到 2 wt% ）来微调晶粒尺寸。为了使合金完全氧化，将其暴露在 800 ° C 的氧气中 8 小时。通过这些深思熟虑的策略目标是制造出具有优异强度， 硬度和韧性的内部氧化 AgMgNi 合金。值得注意的是这个实验成功地合成了这种合金，并 阐明了合金强化、晶粒细化和增韧的潜在机制 。本研究不仅为制备高强度、高韧性的 AgMgNi 合金提供了理论依据，也为提高其他合金体系的力学性能提供了启示。

toughening in fully oxidized AgMgNi alloys ” 发表在 Journal of Materials Science & Technolog 上

链接： https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1005030224010466

图 1 冷轧 AgMgNi 合金的组织与成分分析。

（ a-f ） SEM 背散射电子图像显示具有不同形态和尺寸的二次相。

(g) 图 1(d) 中的元素分布图突出了合金组织中 Ag 、 Ni 和 Mg 的空间分布。 RD 和 ND 分别代表滚动方向和法向。

采用 SEM 背散射电子成像技术研究冷轧合金中二次相的存在、形态和分布（图 1(a-f) ）。值得注意的是，在 AgMg 合金中未观察到二次相，表明其单相性质。相反，在冷轧 AgMgNi 合金中，明显的二次相很明显。定量分析表明，在含 0.15 和 0.3 wt% Ni 的合金中，球形二次相颗粒的平均直径约为 2.0 μ m 。有趣的是，高 Ni 含量（ 0.7-2 wt% ）的合金表现出拉长的、条状的二次相。此外，合金的能谱图（图 1(g) ）较高的 Ni 含量（ 0.7 wt% ）表明，在次级相中 Ni 明显富集，而 Mg 仍然主要分布在整个 Ag 基体中。定量 EDS 分析证实了这些观察结果（表 S1 ），证实了次级相的组成为纯 Ni 。观察到的 Ni 的不混相和 Mg 与 Ag 的混相与已建立的 Ag - Ni 和 Ag - Mg 二元相图一致。

图 2TEM 图像描绘了冷轧 AgMgNi 合金在不同 Ni 含量下的显微组织：

(a) 0 wt%, (b) 0.15 wt%, (c) 0.3 wt% 。

(d) 选择区域电子衍射（ SAED ）图，从图中圈出的区域得到。

在镍含量为 (e) 0.3 wt%, (f) 0.7 wt%, (g) 2 wt% 的冷轧合金中存在纳米级 Ni 颗粒。

图 2 给出了含不同 Ni 含量（ 0-2 wt% ）的冷轧 AgMgNi 合金显微组织的综合分析。亮场透射电子显微镜（ BF-TEM ）显微照片（图 2(a-c) ）显示了所有成分中明显的位错密度和缠结，表明冷轧引起的塑性变形。从图 2(c) 中标记区域获得的选择区域电子衍射图（图 2(d) ）证实了 0.3 wt% Ni 合金中存在具有面心立方结构的微米级 Ni 颗粒。值得注意的是， STEM-EDS 映射（图 2 ）。 (e-g) 表明，在含有 0.3 、 0.7 和 2 wt% Ni 的冷轧 AgMgNi 合金中存在纳米级 Ni 颗粒（约 35 nm ）。