《Journal of Alloys and Compounds》：Hot Compression Behavior and Microstructure Evolution of Mg-13Gd-4Y-2Zn-0.5Zr Alloy
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Mg-13Gd-4Y-2Zn-0.5Zr合金热压缩实验研究表明，通过Arrhenius模型建立的本构方程可描述350-500℃、0.001-1s?1条件下的流变应力，确定最佳加工窗口为430-490℃、0.001-0.04s?1，电子背散射分析揭示DRX体积分数随温度升高显著增加（2.9%→36.4%），{0001}取向演化从平行于变形方向到环状分布。
作者：Xin Di、Hongxin Ji、Tongwei Wu、Ming Ding、Ce Ji、Zhaojian Li、Jingna Sun、Huagui Huang
中国河北省秦皇岛市燕山大学机械工程学院，邮编066004
摘要
采用Gleeble 3800热机械模拟器，在350℃至500℃的温度范围内和0.001 s?1至1 s?1的应变率范围内，对经过固溶处理的Mg-13Gd-4Y-2Zn-0.5Zr合金进行了等温热压缩实验。利用Arrhenius模型建立了该合金的流应力本构模型：
根据动态材料模型绘制了合金的热处理图谱。确定了最佳加工窗口为430°C至490°C的温度范围和0.001 s?1至0.04 s?1的应变率范围。通过电子背散射衍射研究了合金在不同变形参数下的微观结构演变行为。研究发现，在ε′=0.001 s?1时，随着温度从350°C升至500°C，动态再结晶（DRX）体积分数从2.9%增加到36.4%；{0001}方向的最大极密度先减小后增大，[0001]方向从与挤压方向（ED）平行逐渐变为围绕ED的环状分布。在T=450℃时，仅增加应变率无法持续提高DRX体积分数；{0001}织构以一定角度分布在ED方向上。
引言
Mg-Gd-Y-Zn-Zr稀土（RE）镁合金体系以其轻质、高比强度、良好的耐腐蚀性、优异的高温机械性能以及显著的抗翘曲性能而著称[1][2][3]。这些特性使其在航空航天、交通运输和国防工业等领域得到广泛应用[4]。然而，镁合金的六方密排（HCP）晶体结构会在塑性变形过程中形成明显的基面织构[5]，这限制了其在室温下的延展性，从而限制了其更广泛的工业应用。研究表明，热加工可以有效细化微观结构、减弱织构，从而提高镁合金的整体机械性能[6]。此外，添加RE元素可以通过多种机制改善合金性能，包括晶粒细化、沉淀强化以及由长周期堆垛有序（LPSO）相形成引起的强化[7][8][9]。
近年来，人们对RE镁合金的高温变形行为进行了大量研究。Ling等人[10]研究了挤压Mg-9.5Gd-4Y-2Zn-0.5Zr合金的热变形行为，并分析了不同变形条件下的动态再结晶（DRX）机制。结果表明，随着应变率的增加，主导的DRX机制从不连续转变为连续。Han等人[11]对含锌量为x=0和1.5的Mg-8Gd-3Y-xZn-0.6Zr合金进行了热压缩变形实验，发现含1.5% Zn的合金在晶界附近形成了LPSO相，而不含Zn的合金则没有这种现象。这种微观结构演变促进了DRX过程。在另一项研究中，发现晶间块状LPSO相通过颗粒诱导的成核促进了热变形过程中的DRX晶粒形核[12]，这一机制最初由Guo等人提出，并得到了后续研究的证实[13]。Yu等人[14]研究了均质化的Mg-12Gd-4.5Y-2Zr-0.4Zr合金的热变形和DRX行为，发现低应变率下以不连续动态再结晶（DDRX）为主，而在高应变率条件下以连续动态再结晶（CDRX）为主。Xue等人[15]对Mg-13Gd-4Y-2Zn-0.5Zr合金在520°C下进行了4至16小时的固溶处理，结果表明晶内的层状相随着处理时间的延长逐渐溶解到镁基体中，12小时后几乎完全消失。
尽管人们对稀土（RE）强化镁合金的兴趣日益浓厚，但添加较高比例RE的Mg-13Gd-4Y-2Zn-0.5Zr的热机械响应仍研究不足。为填补这一知识空白，本研究对这种合金的固溶处理样品进行了等温压缩实验，实验温度范围为350℃至500°C，应变率范围为10?3至1 s?1。通过流应力曲线建立了本构描述并构建了加工图谱，同时利用电子显微镜跟踪了变形引起的微观结构变化。总体目标是为目标代RE镁合金提供定量设计准则，拓宽其应用范围，细化微观结构-性能关系，并完善该合金的理论数据库。
材料
本文使用的材料为Mg-13Gd-4Y-2Zn-0.5Zr（重量百分比）。该合金通过半连续铸造制备，其化学成分见表1。由于铸态合金的塑性较差，经过逆向挤压工艺和热处理（520℃ + 12小时 + 空气冷却）后得到固溶处理合金，作为高温压缩变形的初始材料。
高温压缩实验
如图1所示，圆柱形试样（φ10mm×15mm）
固溶处理合金的初始微观结构
图2显示了固溶处理后的Mg-13Gd-4Y-2Zn-0.5Zr合金的初始微观结构。图2(a)中的背散射电子（SEM BSE）图像显示，固溶处理后的微观结构主要由Mg基体、晶内层状LPSO相（取向相同）、沿晶界分布的块状LPSO相以及立方RE富集相和Mg?RE相组成。图2(b)展示了通过EBSD获得的极图（IPF）
结论
本文研究了在0.001 s?1至1 s?1的应变率和350°C至500°C的温度范围内，固溶处理后的Mg-13Gd-4Y-2Zn-0.5Zr合金的热变形行为和微观结构演变。建立了该合金的流应力本构方程，确定了合适的变形窗口，并分析了变形参数对流应力和DRX的影响。主要结论如下：
(1)
作者贡献声明
Zhaojian Li： 数据整理。
Huagui Huang： 文章撰写 – 审稿与编辑、资金获取、数据整理、概念构思。
Jingna Sun： 资源调配、资金获取、正式分析。
Xin Di： 文章撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、方法研究、实验设计、正式分析、数据整理。
Wu TongWei： 实验研究、正式分析。
Ji HongXin： 文章撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、方法研究、实验设计、正式分析。
Ce Ji： 文章撰写 –
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本项目得到了国家自然科学基金（项目编号：52205406、52375390、U20A20230）和河北省自然科学基金（项目编号：E2024203066、BJ2025139、E2023203260）的支持。
