TEM案例分享-局部磁矩变化对镁合金热膨胀行为的强化和调节

       镁合金密度低，比强度高，刚度高，在航天工业方面有很大的应用潜力，例如WE43镁合金，因其优秀的高温力学性能，已成功应用在航空航天领域。但是WE43镁合金的强度和塑性都还有待进一步提高。另外WE43航天零部件普遍存在热撕裂和冷裂的问题，这与其高热膨胀性能有关。而为了降低热膨胀而加入的第二相颗粒又通常是室温脆性的，这又会降低合金的塑性。

       磁性与弹性之间存在相互作用，既然镁合金中第二相对位错的阻碍导致的应力集中不可避免，那么是否能够利用应力集中，驱动第二相颗粒中的磁性相变，来抵抗弹性形变和阻碍裂纹扩展，保持塑性呢？

       本研究在纯镁/WE43镁合金中添加锰基反钙钛矿Mn3Ga0.7Ge0.3N，利用它反常热膨胀、磁性与弹性相互作用显著、和在压应力下磁矩变化巨大等特点，来减缓裂纹的扩展，保持合金的塑性。

       本论文采用了XRD和TEM来对合金微观结构进行表征。

       首先要大致了解材料的相组成，一般先采用XRD表征。下图展示了在纯镁和WE43镁合金中添加Mn3Ga0.7Ge0.3N后的XRD结果。在纯镁中添加后，未检测到Mn3Ga0.7Ge0.3N相，而在WE43中添加后，则能检测到Mn3Ga0.7Ge0.3N相，也检测到了WE43自身原有的Y相。

       是什么原因造成了添加后纯镁和W43镁合金XRD结果的差异呢？研究者使用HAADF-STEM观察两者的微观组织，发现粒径小的Mn3Ga0.7Ge0.3N颗粒在纯镁中被分解掉了，而在WE43中几乎不分解，如下图。

       为了更直观地观察上述Mn3Ga0.7Ge0.3N分解的差异，采用更高放大倍数观察基体与Mn3Ga0.7Ge0.3N颗粒的界面，如下图。可以看见，在Mg中，Mn3Ga0.7Ge0.3N颗粒界面处比完整，不同元素已经发生不同程度的溶解，而在WE43中的界面则比较完整，表明几乎不溶解。

       下图进一步表征了添加Mn3Ga0.7Ge0.3N后Mg和WE43的微观组织。图a-c是Mg基体中的情况，图c是第二相界面处的高分辨像和选区电子衍射，经过标定，证实为Mn的[111]带轴，这与之前的分析是吻合的。Mn-N相的存在可以提高Mg的强度，一致热膨胀，但降低了塑性。图d-f是WE43中的情况，图f是第二相界面处的高分辨像和选区电子衍射，经过标定证实为Mn3Ga0.7Ge0.3N的[111]带轴。另外，EDS分析表明，图e中较小较暗的粒子由稀土与Y组成。

       既然研究涉及磁性与弹性的相互作用，肯定就关心第二相周围的应变状况。有什么手段可以帮助我们分析微观结构的应变呢？答案就是几何相位分析（GPA）。GPA分析需要借助HRTEM高分辨图像，下图就展示了这个过程。图a展示了Mn3Ga0.7Ge0.3N与WE43基体间有8-10nm的过渡层，即区域I，而区域II则存在晶格畸变。区域II中的局部放大图为图b，对图b的位置1和位置2有着不同的晶格畸变。对图b的GPA分析如图f，可见位置1和位置2的xx方向应力相反。由于Mn-Mn原子距离的改变会引起Mn3GaN中自旋有序的重新取向和磁相变，因此推断出在应力/应变下，位置1和位置2的磁矩是不同的。

       论文还给出了合金的力学性能和热膨胀性能测试结果，以及磁性-弹性相互作用的第一性原理计算模拟，此处不再详述。

经过一系列表征与分析，论文得出结论如下：

1.一种强化机制：局部磁矩(LMMs)变化诱导强化，在含有Mn3Ga0.7Ge0.3N颗粒的WE43镁合金基复合材料中得到了验证。添加量为7wt.%时WE43 镁合金在保持良好伸长率的同时具有较高的强度，热膨胀系数与铝合金相当，但密度较低。

2.优越的综合强化-增韧性能源于局部磁矩对应力响应的改变。局部磁矩的变化不仅使Mn3GaN体系具有较高的弹性模量，而且减缓微裂纹增殖过程。

3.反钙钛矿中磁性和弹性的强相互作用，包括Mn原子的电子自旋调制，强化了镁合金，并调节了其热膨胀行为。

4.在力学上，反钙钛矿中的各种磁有序和相变抑制了压缩变形过程中晶体结构的不稳定性，增加了均匀压缩的范围，从而产生增韧。