纳米间距堆积层错是层状结构晶格中常见的一种面缺陷,它是晶体结构层正常的周期性重复堆垛顺序在某二层间出现了错误,从而导致的沿该层间平面(称为层错面)两侧附近原子的错误排布。
由于镁金属储量丰富、密度较低、可铸性强、循环利用率高,镁以及镁合金在近几年被逐渐应用于汽车面板制造中。然而,镁合金的强度不足在很大程度上限制了其应用,普通镁合金的拉伸屈服强度为100-250兆帕,平均伸长率为2%-8%。
除了传统沉淀强化(precipitation control)工艺,增强镁合金强度主要依靠两种手段:第一种,晶粒细化。晶粒细化就是对凝固的金属进行振动和搅动,一方面依靠从外面输入能量促使晶核提前形成,另一方面使成长中的枝晶破碎,增加晶核数目。目前已采取的方法有机械搅拌、电磁搅拌、音频振动及超声波振动等。利用机械或电磁感应法搅动液穴中熔体,增加了熔体与冷凝壳的热交换,液穴中熔体温度降低,过冷带增大,破碎了结晶前沿的骨架,出现了大量可作为结晶核的枝晶碎块,从而使晶粒细化。通过这种方法,铝合金的屈服强度将达到最高600兆帕,并形成均匀分布长期有序结构。
另一种增强铝合金强度的方法能够用来获得超细晶粒(直径小于1微米)。高浓度晶界(GBs)存在于超细晶粒的微观结构中形成晶粒原子位移的屏障,限制分子运动,从而提高了镁合金的强度。但此方法对屈服强度的提升作用并不大,往往只能从250兆帕提升到400兆帕左右。此外,虽然位错滑移(dislocation slip)是提升铝合金延展性和强度的有效方法,但细化晶粒会抑制形变双晶(deformation twinning)的原有属性,导致超细化晶粒在低温环境下强度降低,不利于进一步加工成型。
研究人员选择镁合金、钆(gadolinium)、钇(yttrium)、银和锆(zirconium)等材料均能够通过热轧法形成纳米间距堆垛层错结构。高密度的层错结构允许材料进一步的加工和成型。
理论上,新型铝合金的强度为传统铝合金的两倍,其重量则只有钢材的一半,非常适合运用于运输车辆的车架或汽车面板中。