通过晶界偏聚和变形机制调控，改善镁合金中晶界的内聚力和塑性

镁合金晶界偏析与变形机制研究：通过对比Mg-2Zn和Mg-2Al合金的滑移、孪生及裂纹扩展行为，发现Zn的晶界偏析增强界面结合力，抑制裂纹萌生，而Al合金因偏析不足导致局部应力集中，裂纹快速扩展。研究揭示了溶质元素晶界偏析对塑性及断裂的关键作用。

　　

曾华强|史东风|杨彪彪|史晨英|张进

中南大学轻合金研究所，中国长沙，410083

摘要

对于镁（Mg）合金而言，锌（Zn）和铝（Al）溶质的添加如何提高其延展性的内在机制仍不明确。本研究制备了基体组织相似、平均晶粒尺寸约为36微米的Mg-2wt%Zn和Mg-2wt%Al合金。通过准原位电子背散射衍射（EBSD）辅助的滑移轨迹分析和透射电子显微镜（TEM）研究了这两种合金在不同拉伸应变下的滑移行为和裂纹倾向。锌在晶界的积累增强了晶界间的凝聚力，抑制了它们在初始变形阶段的裂纹倾向，使Mg-2wt%Zn合金的晶界能够承受更高的应力。同时，在较大的拉伸应变下，硬质晶粒中逐渐触发孪晶和非基面滑移（这些对基面滑移不利），这有助于提高Mg-2wt%Zn合金的延展性。相比之下，由于晶界处铝的偏聚较低以及硬质晶粒中次级变形机制（如孪晶和非基面滑移）的激活不足，Mg-2wt%Al合金在变形过程中出现了明显的局部应力集中。这些局部应力集中随着拉伸应变的增加而加剧，成为裂纹起始和随后快速晶间裂纹扩展的主要驱动力。这些发现揭示了晶界偏聚对晶界凝聚力、次级变形机制和塑性的关键影响，有助于设计出具有优异机械性能的稀薄镁合金。

引言

由于其低密度、高刚性、生物降解性和良好的生物相容性等独特属性，镁（Mg）在交通运输、航空航天和生物医学领域越来越受到关注[1,2]。然而，镁在室温（RT）下的有限延展性使得加工变得复杂，而高温下的热机械处理成本高昂，这限制了其在工业中的广泛应用[3,4]。

镁合金的六方密排（hcp）晶体结构在变形过程中促进了强烈的基体组织形成，这在表现出强基体组织的轧制材料中尤为明显。镁合金在室温下的塑性不足通常与这种强基体组织以及激活涉及c轴组分的变形机制的困难有关[[5], [6], [7]]。因此，人们探索了多种方法来提高其延展性[8]，包括先进的加工技术和固溶合金化。例如，添加稀土元素（如Y、Tb、Gd、Ce）可以减小基面滑移系统与非基面滑移系统之间的临界应力比（CRSS）。这激活了金字塔形[c]滑移，从而提高了镁合金在室温下的延展性[9,10]。

出于经济考虑，寻找具有与稀土元素类似有益性质的低成本溶质至关重要。铝和锌是最常见且价格低廉的两种元素[11,12]，它们的稀薄二元镁合金表现出优异的延展性[13,14]。先前的研究表明，锌和铝的添加可将Mg-Zn和Mg-Al合金的伸长率分别提高到约18%[15]和10%[16]。然而，锌和铝的添加如何影响镁合金的塑性仍存在争议。一些研究认为，含锌和铝溶质的镁合金延展性的提高源于棱柱形滑移的软化[17,18]。第一性原理研究[19,20]表明，溶质提高了基面堆垛错能（SFE）。这种提高源于溶质对局部电子密度的改变，增加了堆垛错形成和扩展的能量代价。因此，部分位错之间的平衡分离减小，促进了它们在棱柱形平面上的交叉滑移。相反，多尺度力学建模模拟表明，溶质在基面位错上的偏聚优先于非基面位错。这种偏聚主要由溶质原子与位错应变场之间的弹性相互作用驱动，从而降低了系统能量。这种相互作用可能导致晶粒内部和晶界处的位错偏聚。这种结合不对称性降低了非基面系统（如金字塔形[c]滑移）相对于基面滑移的CRSS比率[21]。对于在室温下受拉伸的Mg-4.5 wt%Zn合金，其纵向轴与挤压方向成15°角，通过准原位EBSD辅助的滑移轨迹分析，在总共128个晶粒中识别出60个表现出[c]金字塔形滑移的晶粒[22]。对于沿挤压方向受拉伸的Mg-1at%Al合金，原位EBSD和晶粒参考取向偏差（GROD）分析显示，大量非Schmid型孪晶（其特征是孪晶Schmid因子低甚至为负）形成并生长，这一现象与Mg-Al合金在室温下的延展性提高有关[2]。此外，其他早期研究指出，锌溶质在晶界（GBs）附近的偏聚增强了晶界间的凝聚力，从而抑制了晶界裂纹；这被认为是Mg-Zn合金延展性提高的原因[23,24]。目前的研究仍缺乏对二元Mg-Zn与Mg-Al合金中塑性变形机制（特别是滑移、孪晶和晶界偏聚效应）的定量比较。

本研究在相同条件下探讨了二元Mg-Zn与Mg-Al合金的延展性差异，揭示了导致它们不同塑性的潜在机制。为此，精心制备了两种合金Mg-2wt%Zn和Mg-2wt%Al；它们具有相似的基体组织、几乎均匀的晶粒尺寸分布，且无沉淀物。对这两种合金在室温下的活性变形机制和裂纹倾向进行了全面研究。本研究的结果可以为开发高延展性镁合金提供有益的方向。

实验程序

实验程序

在氩气氛围中，通过感应熔炼99.95%纯度的原料制备了固溶Mg-Zn和Mg-Al合金（两种合金的溶质含量均为2 wt%）。铸态锭材被加工成30 × 30 × 10 mm3的立方体，然后在450°C下进行12小时的均匀固溶处理，随后水淬。两种合金随后接受了相同的熱機械處理：在250°C下热轧至最终厚度3 mm，再经过退火以获得相似的平均晶粒尺寸和基体组织。

初始微观结构

图1显示了Mg-2wt%Zn和Mg-2wt%Al合金的初始微观结构，两者都呈现出平均尺寸为36 ± 2 μm（Mg-2wt%Zn）和37 ± 1 μm（Mg-2wt%Al）的均匀等轴晶粒。两种材料都具有强烈的基体组织。在拉伸方向（RD）下，它们相似的基体组织产生了相似的基面滑移Schmid因子：Mg-2wt%Zn为0.209，Mg-2wt%Al为0.217。

力学行为

图2展示了Mg-2 wt%Zn和Mg-2 wt%Al合金在变形过程中的真实应力-应变和加工硬化行为

应变下局部变形行为的演变

图5显示了Mg-2wt%Zn和Mg-2wt%Al合金在逐渐增加的应变下的Nye张量（α）范数图。范数与几何上必需的位错（GND）密度直接相关，定义为α/b，其中b是Burgers矢量[28]。较高的范数值表明GND积累增加。可以观察到，在不同应变下，Mg-2wt%Zn合金表现出均匀的GND分布，而Mg-2wt%Al合金则表现出相反的行为。具体来说，在5%的较低拉伸应变下，Mg-2wt%Al合金

结论

本研究旨在探讨具有强基体结构的镁合金延展性提高背后的内在机制。结合TEM和准原位EBSD辅助的滑移轨迹分析，系统地揭示了Mg-2wt%Zn/Mg-2wt%Al合金在不同塑性应变（5%、10%、15%）下的变形机制。主要结论如下：

(1)

与具有相似初始微观结构的Mg-2wt%Al合金相比，Mg-2wt%Zn表现出更好的变形均匀性和77%更高的断裂伸长率

作者贡献声明

曾华强：撰写——原始草稿、方法论、正式分析、数据管理。史东风：撰写——审阅与编辑、验证、项目管理、数据管理。杨彪彪：撰写——审阅与编辑、监督、概念化。史晨英：监督、概念化。张进：监督、项目管理、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了湖南省自然科学基金（项目编号2025JJ60298）、极端服役性能精密制造国家重点实验室项目、中南大学（ZZYIKT2024-17）和国家自然科学基金（项目编号U21B6004）的支持。