Microstruttura e proprietà meccaniche del Mg

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 11003 (2022) Citare questo articolo

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La lega Mg-15Gd-1Zn (in peso%) è stata preparata con successo tramite il processo di sinterizzazione rapida dei nastri di solidificazione al plasma a scintilla. L'indagine sulla microstruttura ha mostrato che le leghe sinterizzate erano costituite da grani fini, fase β1 e fase ordinata di impilamento a lungo periodo (LPSO). La temperatura e il tempo di sinterizzazione hanno un effetto significativo sull'evoluzione microstrutturale. Una temperatura di sinterizzazione più bassa (430 °C) è stata vantaggiosa per ottenere granulometrie più fini con meno di 5 μm e un contenuto più elevato di fase β1 con un contenuto di 3–15 vol.% e una distribuzione dimensionale di (10–600) nm . Una temperatura più elevata per un tempo di sinterizzazione più lungo, 450–470 °C e 5–10 minuti, ha favorito utilmente la precipitazione della fase LPSO abbondantemente lamellare e il suo contenuto era del 2–10 vol.% per la fase LPSO con una larghezza di (10–100 ) nm. Le proprietà meccaniche hanno indicato che la granulometria fine e la soluzione solida sovrasatura contribuivano per almeno il 50% al limite di snervamento, e il contributo residuo era correlato al rafforzamento della fase β1 e della fase LPSO, che erano basati sul loro contenuto e sulle dimensioni.

Il Mg e le sue leghe hanno ricevuto maggiore attenzione per la loro elevata resistenza specifica, buon smorzamento degli urti e facile lavorabilità. Sono stati utilizzati nei campi dei veicoli spaziali, dei serbatoi di idrogeno, dei mozzi delle ruote e di altri prodotti industriali1,2. Tuttavia, sia la resistenza inferiore che la scarsa plasticità intrinseca limitano ancora l’ampia applicazione delle leghe. Il dilemma di base è la grande anisotropia nell'energia di attivazione della dislocazione tra la dislocazione dominante < a > scivolante sul piano basale e la dislocazione secondaria < c > (incluse < c > e < c + a >)3,4. Il modo classico per risolvere il problema è regolare la microstruttura delle leghe di Mg.

Sono state proposte diverse strategie specifiche per migliorare e ottimizzare la microstruttura delle leghe di Mg. La formazione degli appropriati difetti reticolari in soluzione solida è il modo principale per aggiungere elementi di lega nella matrice di Mg, come Al, Zn, Gd e altre leghe rinforzanti5,6. L'affinamento del grano è anche un metodo di rafforzamento significativo per le leghe di Mg, perché ovviamente impedisce il movimento delle dislocazioni attorno ai bordi del grano (GB)7,8, più piccoli sono i grani, maggiore è il rafforzamento della matrice di Mg9. Inoltre, i confini di fase (PB) appropriati coordinano il movimento di vari tipi di dislocazioni e, pertanto, è sempre una ricerca incessante introdurre fasi di rinforzo singole o multiple con dimensioni fini nella matrice Mg. Quando le seconde fasi di rinforzo venivano precipitate dalla matrice di Mg (soluzione solida), i diversi tipi di gap energetici di dislocazione potevano essere significativamente ridotti insieme alla propagazione delle dislocazioni; quindi, sia la resistenza che la plasticità sarebbero migliorate10,11. Tuttavia, ciascuno dei metodi sopra menzionati ha un effetto rinforzante limitato e i tre metodi devono essere combinati per ottenere le superbe proprietà meccaniche delle leghe di Mg.

Sia i GB che i PB potrebbero aumentare simultaneamente quando si adottasse il processo convenzionale di formatura plastica termo-meccanica e il processo di trattamento termico nelle leghe della serie Mg-Gd-Y-Zn-Zr12,13,14, che è un tipo di lega vitale ad alta resistenza12,13 ,15. È stata quindi ottenuta la struttura cristallina gerarchica multiscala, che è stata studiata nei reticoli cubici a centro faccia (fcc) e cubici a corpo centrato (bcc)16. La lega laminata Mg–8.2Gd–3.8Y–1.0Zn–0.4Zr (in peso%) ha aumentato la sua resistenza di circa il 200% e anche la reale deformazione a rottura è aumentata del 110%, quando contiene sia grani submicronici che precipitato nanometrico fase17,18. Recentemente sono state sviluppate anche due seconde fasi o seconde fasi di rinforzo multiplo per le leghe di Mg ad elevate proprietà. Per alcune leghe Mg–RE–Zn (RE, elementi delle terre rare), la microstruttura è composta da α-Mg + fase LPSO lamellare + fase β′. Simile alla lega Mg–8,2Gd–3,8Y–1,0Zn–0,4Zr (peso) laminata e invecchiata, la resistenza alla rottura è di circa 450 MPa con un moderato allungamento alla frattura del 10%17. E la lega estrusa Mg–10,3Zn–6,4Y–0,4Zr–0,5Ca (in peso%) mostra resistenze superiori a 400 MPa e un allungamento del 4%, nella condizione di contenere particelle nanometriche di fase W e fase β218, 19. Tuttavia, a causa della facile separazione degli elementi leganti durante la solidificazione, il tipo di seconda fase era ancora difficile da controllare nel processo convenzionale di preparazione della lega al Mg. Per queste fasi di rafforzamento intermetallico Mg-RE, il controllo della sua struttura e distribuzione è stato un processo relativamente lungo (trattamento termico in soluzione solida e quindi trattamento di invecchiamento). Recentemente, la microstruttura ottimizzante è stata ampiamente studiata basandosi sul metodo di solidificazione rapida (RS), in particolare per la sinterizzazione a bassa temperatura e la formatura con una grave deformazione plastica (SPD). Gerardo Garces et al. ha adottato il metodo di pressatura angolare a canale uguale (ECAP) per preparare una lega Mg98.5Y1Zn0.5 ad alta resistenza contenente fase LPSO20, mostrando un significativo effetto di rafforzamento, e il suo carico di snervamento era di 300–364 MPa e l'allungamento del 3–16%. Inoltre, Daria Drozdenko et al. hanno consolidato il nastro RS Mg-Y-Zn utilizzando il metodo di estrusione a caldo21, e il suo carico di snervamento era 362 e un allungamento del 18,2%, l'elevata proprietà meccanica era principalmente dovuta ai grani fini con microstruttura bimodale e LPSO fase.