近日，上海交通大學材料科學與工程學院彭立明教授對Mg-Y-Nd合金析出相演化機理研究取得重要進展，相關研究成果以“On the evolution of β1/β′ coupled-structures in Mg–Y–Nd alloys: A simulation study”為題在線發表在國際著名期刊Acta Materialia上（Acta Mater. 281（2024）120353）。材料學院劉泓副教授為第一作者，劉泓副教授、彭立明教授和澳大利亞莫納什大學聶建峰教授為共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金(Grant No. 52101018, 52374392）和上海市浦江人才計劃（No. 21PJ1405800）的支持。

圖文解析

在Mg–Y–Nd等沉淀強化鎂合金中，其主要強化析出相β1和β′常常形成耦合結構，其中β′析出物附著在β1的兩端，呈啞鈴狀結構。核心問題是，隨時效時間延長，當β1在沿其慣習面生長時，附著的β′析出物如何演變。

為了解決這一問題，本研究采用基于三維相場方法的多尺度模型，模擬β1和β′沉淀顆粒在β1/β′耦合結構中的演變過程。通過透射電鏡實驗觀察和三維相場模擬結果表明，在β1/β′耦合結構中，β1沉淀顆粒呈板條狀，β′顆粒附著在β1的兩端并沿[0001]方向延伸。隨著時效時間增加，β1沉淀顆粒沿慣習面生長，其長度持續增加，而附著的β′析出物僅在β1延伸方向生長，另一方面則會溶解。這種現象造成了β′析出物在固相鎂基體中看似“移動”的視覺效果。

該現象受化學自由能和彈性應變能的相互作用影響。化學自由能促進β′析出物的各向同性生長；同時，由β′析出物及其附著的β1顆粒末端的應力場導致的彈性應變能促使β′析出物的一側生長而另一側溶解。

當耦合結構的演變受附近其他耦合結構的影響時，β′析出物的演變受彈性應變能驅動。總體而言，β′析出物在拉伸應力場中傾向于生長，而在壓縮應力場中則傾向于溶解。以上發現為理解鎂合金中的析出物演變提供了重要的理論基礎。

 近年來，在丁文江院士的大力支持下，彭立明教授團隊在鎂稀土合金材料開發與成形技術方面取得了一系列原創性科研成果，旨在推動我國高性能鎂稀土合金的發展與應用。

圖1 β1/β′耦合結構演化的三維相場模擬結果

圖2 當時間步長為10000時，在（0001）截面，β1/β′耦合結構形貌及演化不同時間時，耦合結構的β1和β′顆粒的輪廓。

圖3 β1/β′耦合結構演化時β′界面處的能量分析：（a）只考慮化學能和界面能，（b）同時考慮化學能、界面能和彈性能，(c) 只考慮彈性能

圖4 三組β1/β′耦合結構逐漸靠近時，β1和β′析出相的演化過程。

來源：輕合金精密成型國家工程研究中心