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本研究揭示了挤压态Mg/LPSO合金的取向依赖性拉伸行为：沿挤压方向（0°）时合金兼具高强度（~450MPa）和高延伸率（~10%），归因于LPSO相的短纤维强化和AMID机制；10-30°范围内性能保持平衡，而45°和90°时因基面滑移和{10?2}孪晶激活导致强度和延伸率显著下降。
Koji Hagihara | Mika Sugita | Michiaki Yamasaki | Toko Tokunaga | Tsuyoshi Mayama | Soya Nishimoto
名古屋工业大学物理科学与工程系，日本爱知县名古屋市昭和区五岛，466-8555
摘要
本研究探讨了含有长周期堆垛有序（LPSO）相的挤压镁合金的取向依赖性拉伸行为。当载荷方向与挤压方向平行时，Mg/LPSO合金表现出优异的性能组合：高拉伸强度（约450 MPa）和良好的延展性（约10%）。这种优异的性能归因于LPSO相的排列所引起的短纤维状增强效应以及加工硬化效应的增强，这种现象被称为各向异性机械性能诱导的延展性（AMID）。该合金在挤压方向附近约10–30°的范围内保持了这种强度-延展性的平衡，表明其在服役过程中能够承受一定的载荷错位。然而，在45°和90°的较大载荷角度下，由于取向敏感的变形机制被激活，强度和伸长率均显著下降。在45°附近，Mg加工晶粒中的基面滑移占主导地位，导致局部应变并产生沿基面的解理断裂；而在90°时，{102>拉伸孪晶变得普遍。由于Mg加工晶粒的比例较高，低速挤压合金的机械各向异性更为明显。值得注意的是，强度-延展性平衡的角依赖性是非单调的，在15–30°附近出现一个局部峰值，这反映了不同变形模式之间的转变。这些发现阐明了挤压Mg/LPSO合金中复杂的取向-性能关系，并为优化其在定向载荷条件下的机械性能提供了实用指导。
引言
在汽车和航空航天（包括无人机）等运输领域，迫切需要提高能源效率并减少二氧化碳排放，这加剧了对先进轻质结构材料的探索。镁（Mg）作为最轻的结构金属，相比铝和钢具有显著的质量优势[1]、[2]、[3]、[4]。尽管其强度不足是限制其实际应用的瓶颈之一，但最近发现和开发的具有长周期堆垛有序（LPSO）结构的镁合金在这一领域取得了突破[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]。LPSO相通常形成于Mg-RE-TM系统中，其中RE表示稀土元素（如Y、Gd和Dy），TM表示过渡金属（如Zn或Ni）。这些相具有独特的晶体学特征，包括沿c轴的周期性堆垛序列以及这些平面内溶质原子的有序排列[23]、[24]。这种结构复杂性使得它们兼具优异的热稳定性和常规镁合金所不具备的独特变形机制[25]、[26]、[27]。
Mg/LPSO合金的强化机制，特别是挤压合金的强化机制，在许多研究中得到了探讨。其中最重要的机制之一是LPSO相的短纤维状增强效应，即LPSO相通过有效的载荷传递来承受载荷[6]、[11]、[14]、[16]。挤压过程使得LPSO相的板状晶粒沿挤压方向排列，从而增强了短纤维状增强效果，已有报道表明几种Mg–Y–Zn LPSO合金的拉伸强度超过了400 MPa[28]、[29]、[30]。此外，Hagihara等人最近指出，LPSO相的有序微观结构不仅提高了强度，还通过增加加工硬化率来提高延展性，这一机制被称为各向异性机械性能诱导的延展性（AMID）[29]、[30]。
然而，尽管这些特性很有前景，但仍存在一些关键挑战尚未解决。其中一个关键问题是关于机械性能的取向依赖性的详细信息不足。如上所述，沿挤压方向可以获得优异的机械性能（包括高强度和延展性）；因此，预计该合金可以在单向载荷下使用。然而，关于载荷方向变化对机械性能影响的信息还不够充分。例如，目前尚不清楚载荷轴与挤压方向的偏差达到多大程度时不会显著影响机械性能。这在之前的研究中被指为需要在未来研究中解决的问题[30]。已有报道指出，在某些载荷方向下强度会下降[6]、[11]、[14]、[31]、[32]、[33]、[34]、[35]、[36]，但尚未形成全面的理解。此外，一些先前的研究使用压缩试验进行[6]、[11]、[14]、[31]，因此关于延展率变化的信息有限。众所周知，镁合金的机械性能具有取向依赖性，这源于镁的hcp结构[37]、[38]。这些镁合金与Mg/LPSO合金之间的差异也是重要的研究课题。
因此，本研究旨在全面评估Mg/LPSO挤压合金的机械性能的取向依赖性，特别关注其独特的微观结构特征如何控制其变形和失效过程。通过阐明这些关系并将其与其他镁合金进行比较，本研究旨在获得基本见解，并学习设计策略，以加速Mg/LPSO合金作为下一代轻质结构材料的发展。
部分内容摘录
合金制备
通过使用低碳钢坩埚在电炉中熔化原材料，制备了Mg97Zn1Y2（按重量%计）和Mg99.2Zn0.2Y0.6（按重量%计）合金以及商业AZ31合金（成分Mg-3Al-1Zn）的锭材，随后进行铸造。Mg99.2Zn0.2Y0.6和AZ31的微观结构由单相Mg（SP）组成；然而，在Mg99.2Zn0.2Y0.6的Mg晶粒中存在纳米级的Y/Zn分离层，即LPSO纳米片
0°、45°和90°载荷方向下的变形行为差异
如引言部分所述，0°方向的变形行为已在之前的报告中进行了研究[30]，并且描述了挤压合金的微观结构特征。图1显示了之前研究中获得的挤压合金的晶体取向图[30]。AZ31和pSP-Mg合金表现出长形的加工晶粒（以下简称Mg-WG）和微小的再结晶晶粒（Mg-RX），形成了双峰微观结构[39]、[40]。
讨论
本研究定量阐明了挤压镁合金拉伸机械性能的强取向依赖性。本节主要讨论了控制载荷方向依赖性下的强度和延展性的因素，重点关注Mg/LPSO合金。
结论
本研究考察了Mg/LPSO双相挤压合金的机械性能随载荷方向变化的规律。结果与其他单相镁合金进行了比较，得出以下结论：
1. 当Mg/LPSO合金在平行于挤压方向的方向（0°取向）进行拉伸试验时，它同时表现出高强度和高延展性。
作者贡献声明
Toko Tokunaga：撰写 – 审稿与编辑，资金获取。Michiaki Yamasaki：撰写 – 审稿与编辑，资源管理，项目规划，方法论，研究实施，资金获取，概念构思。Soya Nishimoto：撰写 – 审稿与编辑。Tsuyoshi Mayama：撰写 – 审稿与编辑。Mika Sugita：撰写 – 审稿与编辑，研究实施，数据分析。Koji Hagihara：撰写 – 初稿撰写，数据可视化，验证，方法论研究实施，
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了日本科学技术机构（JST）CREST（项目编号JPMJCR2094）的支持。此外，本研究还得到了日本轻金属教育基金会的部分支持。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究工作的财务利益或个人关系。
