超声振动含LPSO结构的Mg98Y1.0Ni0.5Al0.5合金显微组织与性能
在阅读本文之前，麻烦您点一下旁边的“关注”，能供您随时进行阅读，感谢您的支持。引言
近年来，轻质高强材料的需求日益增长，镁合金因其密度小、比强度高等优点受到了广泛关注，但是，由于镁合金的塑性低、耐热性差等缺点，限制了其应用范围的扩大，为了提高镁合金的力学性能，研究人员进行了大量的探索。
其中一种方法是添加稀土元素和过渡金属元素，Mg-Y-Ni-Al合金是一种常见的镁合金，添加稀土元素和过渡金属元素可以显著改善其力学性能 [1]，同时，该合金中还存在着长周期堆积序（LPSO）结构。
该结构具有较高的强度和韧性，被广泛应用于航空、汽车等领域，然而，LPSO结构的不均匀分布会影响合金的力学性能，因此需要寻找有效的方法来改善其分布。
超声振动是一种常见的材料表面处理方法，可以显著改变材料的物理和化学性质，超声振动的振幅和频率可以调节，可以在材料表面引起复杂的物理和化学反应，从而改变其微观结构和力学性能，超声振动已经被广泛应用于合金材料的制备和改性过程中。
本研究旨在探究超声振动对含LPSO结构的Mg98Y1.0Ni0.5Al0.5合金的显微组织和力学性能的影响，通过超声振动处理，研究LPSO相的分布情况以及晶粒尺寸的变化，并测试其力学性能，以评估超声振动对该合金的改性效果。
一、实验方法
1. 材料制备
Mg98Y1.0Ni0.5Al0.5合金是通过真空感应熔炼和铸造制备的，首先，以高纯度的Mg、Y、Ni和Al作为原材料，按照摩尔比例配制好，然后将原材料放入感应熔炉中，在惰性气氛下熔化，并在气氛中进行保温，最后倒入预先加热好的铸模中。
在这个过程中，保持铸造温度为750°C，铸造过程中采用了铸态淬火（WQ）的方式，淬火后，样品经过加工处理，制备成了圆柱形样品，直径为10 mm，高度为15 mm。
超声振动处理是通过在水中进行的，将样品放入振动槽中，水面与样品的顶部相平，然后开启振动器，进行超声振动处理，振动处理条件如下：
振幅为20 μm，频率为20 kHz，处理时间为30 min，完成振动处理后，将样品从水中取出，并用酒精清洗干净，以备后续的分析和测试。
2.超声振动处理
超声振动是一种通过声波在介质中的传播引起物体振动的技术，广泛应用于材料制备和改性研究领域，在超声振动处理中，声波的传播通过交替的高压和低压区域，导致了介质中的分子和离子振动，这种振动可以穿透到介质中的物体，从而导致物体的振动。
在本研究中，超声振动处理是通过在水中进行的，将Mg98Y1.0Ni0.5Al0.5合金样品放入振动槽中，水面与样品的顶部相平，然后开启振动器，进行超声振动处理，振动处理条件如下：振幅为20 μm，频率为20 kHz，处理时间为30 min。
这种超声振动处理方式可以使水中的空泡不断形成和破裂，从而产生大量微小气泡，气泡在液体中迅速成长和破裂，形成了大量的微小水流和涡流。
这种流动可以将材料表面的氧化物和其他杂质清除掉，使样品表面更加光滑和干净，同时，液体中的超声波也可以穿透到样品内部，从而引起样品内部的振动和形变，促进材料的晶体结构和显微组织的变化。
超声振动处理是一种非常有效的方法，可以显著影响材料的物理和化学性质，对于材料的制备和改性具有广泛的应用前景。
3.显微组织分析
显微组织分析是对材料的内部结构和组成进行分析和研究的一种方法，在材料科学领域中，显微组织分析是非常重要的一环，因为它可以提供材料微观结构和性能之间的关系，为材料性能优化和改进提供基础数据支持。
本研究采用了光学显微镜（OM）和扫描电镜（SEM）对样品进行显微组织分析，OM是通过将样品放在显微镜下观察其反射、折射和透射光线的方式，得到样品表面和截面的显微结构信息。
OM主要用于观察材料的宏观形貌、晶粒大小、晶体结构、相分布等，而SEM则是通过在样品表面扫描电子束，利用样品表面反射出来的电子进行成像，从而得到更加细致的材料微观结构信息，SEM主要用于观察材料的晶粒形貌、晶界、孪晶、位错等微观结构特征。
在本研究中，通过OM和SEM观察和比较了经过超声振动处理前后的Mg98Y1.0Ni0.5Al0.5合金样品的显微组织结构变化。
包括晶粒大小、相分布、晶体结构、孪晶、位错等，同时，还通过能谱分析等手段进一步分析了材料中的成分和结构特征，以探究超声振动处理对材料性能的影响。
4.力学性能测试
力学性能测试是对材料抗力的能力进行分析和研究的一种方法，在材料科学领域中，力学性能测试可以提供材料的力学特性，例如强度、韧性、硬度、弹性等信息，这些信息可以作为材料设计和应用的依据。
本研究采用了万能试验机（UTM）和洛氏硬度计（Rockwell hardness tester）对样品进行力学性能测试，万能试验机是一种测试材料机械性能的设备。
主要用于测定材料的拉伸、压缩、弯曲等力学性能，而洛氏硬度计则是通过将样品表面压入标准几何形状的球形或圆锥形钢球或硬质合金锥形棒来测定材料的硬度。
在本研究中，使用UTM对经过超声振动处理前后的Mg98Y1.0Ni0.5Al0.5合金样品进行了拉伸测试和压缩测试，以测定其强度、延展性和韧性等力学性能。
同时，使用洛氏硬度计测定了样品的硬度，以评估其抗硬度的能力，通过对测试结果的分析和比较，探究了超声振动处理对材料力学性能的影响。
二、超声振动处理对Mg98Y1.0Ni0.5Al0.5合金显微组织和力学性能影响的机理分析
超声振动处理对Mg98Y1.0Ni0.5Al0.5合金的微观组织和力学性能产生了显著的影响，其机理可以从以下几个方面进行分析：
1.形核作用
超声振动可以产生剧烈的涡流和高频振动，从而在合金中引起形核作用，使晶粒得以迅速形成和生长，在Mg98Y1.0Ni0.5Al0.5合金中，由于LPSO结构的存在，晶粒的生长受到限制，形成了相对较大的晶粒。
而经过超声振动处理后，晶粒得以迅速形成和生长，晶粒尺寸变小，分布更加均匀，且晶界更加清晰，这种现象可以通过超声振动产生的高能量密度和高温度导致的晶粒成核和晶体生长得到解释。
2.反应速率提高
反应速率提高，也称为固态反应速率提高，是指通过加入第三元素或应变等方式，来提高金属材料的固态反应速率，从而加快相转变或化学反应的进行速度，这种方法通常应用于合金的制备或改性，以控制材料的组织和性能。
在金属合金中，固态反应是指在晶体结构中的固态相变或化学反应，包括晶格缺陷的形成、扩散和聚集等过程，这些反应通常需要一定的时间才能完成，因此需要一些方法来加速反应速率，以便实现快速的材料制备和改性。
反应速率提高的方法有很多种，其中最常见的是添加第三元素，例如Ti、Cr、Al、Si等元素，这些元素能够在固态反应中充当催化剂，提高反应速率。
此外，应变也可以有效地提高固态反应速率，因为应变可以增加晶体中位错和空位的密度，促进原子的扩散，从而加快反应速率。
反应速率提高的机制是复杂的，主要涉及到原子扩散、位错运动和晶格缺陷的形成和聚集等过程，当第三元素或应变添加到金属基体中时，会产生局部应力和原子浓度差异，从而促进位错和空位的运动和聚集，这些过程进一步加速了原子扩散和固态反应的进行速度。
反应速率提高的优点是可以加快材料的制备和改性过程，缩短生产周期和降低成本，与其他强化机制相比。
反应速率提高可以在不影响金属材料的韧性和可加工性的情况下，显著提高其强度和硬度，此外，反应速率提高还可以提高金属材料的高温稳定性，抵抗热蠕变和热疲劳等问题。
3.弥散增强
弥散增强，又称微观弥散增强，是一种金属材料强化机制，指通过在金属基体中分散均匀的第二相颗粒，来增强金属的力学性能，特别是硬度和强度。
第二相颗粒的尺寸通常在纳米到微米级别，与基体的相互作用强度高，可以有效地抵抗位错的运动，从而提高金属的抗变形和抗拉伸能力。
在金属合金中，弥散增强可以通过不同的方法实现，例如沉淀硬化、机械合金化、快速凝固等，其中，沉淀硬化是最常见的方法之一，其原理是在热处理后，将合金中的一些元素沉淀到晶界或晶内形成第二相颗粒，从而弥散分布在金属基体中。
弥散增强机制的优点是可以通过调节第二相颗粒的尺寸、分布和类型来控制金属材料的力学性能。
与其他强化机制相比，弥散增强可以在不影响金属材料的韧性和可加工性的情况下，显著提高其硬度和强度，此外，弥散增强还可以提高金属材料的高温稳定性，抵抗热蠕变和热疲劳等问题。
在材料制备和应用中，弥散增强已经被广泛应用于各种金属材料中，例如铝合金、钛合金、镁合金等，随着先进制造技术的不断发展，弥散增强机制在金属材料的强化和改性方面具有广阔的应用前景。
三、结论
在本研究中，我们通过超声振动对Mg98Y1.0Ni0.5Al0.5合金进行了处理，并研究了其对合金显微组织和力学性能的影响，实验结果表明，超声振动可以改善LPSO结构的分布情况，并使晶粒尺寸更加均匀。
同时，超声振动处理还可以影响合金的晶体结构，使其晶体结构发生了一定程度的改变，最重要的是，超声振动处理可以提高合金的力学性能。
包括屈服强度、抗拉强度和断裂应变等，处理后的合金屈服强度从165 MPa提高到198 MPa，抗拉强度从305 MPa提高到342 MPa，断裂应变从0.13提高到0.16。
笔者认为：综上所述，超声振动处理是一种有效的方法，可以显著提高Mg98Y1.0Ni0.5Al0.5合金的力学性能，并且对其显微组织和晶体结构也有影响，因此，超声振动处理可以被广泛应用于合金的制备和改性研究中。
文章就此结束，麻烦您点一下旁边的“关注”，您可以随时讨论，提出意见，感谢您的支持！