近期，吉林大学材料科学与工程学院在Taylor & Francis旗下材料科学期刊Materials Research Letters发表了一篇题为“Developing high-strength and ductile Mg-Gd-Y-Zn-Zr alloy sheet via bimodal grain structure coupling with heterogeneously-distributed precipitates”的研究，该研究以可时效强化Mg-8Gd-4Y-1Zn-0.4Zr合金为实验材料，通过大压下量衬板控轧方法成功制备了高稀土含量镁合金板材，获得含有大量超细晶的混晶组织，同时实现纳米级基面γ'析出相在粗、细晶粒中的非均匀分布。该镁合金呈现出优异的强塑性匹配，屈服强度~385 MPa，抗拉强度~420 MPa，延伸率~19%。

研究背景

面向双碳战略和轻量化重大需求，镁合金作为最轻的工程结构金属材料受到了广泛关注。但镁合金室温强塑性有限，限制了其进一步应用。Mg-Gd-Y系合金由于具有出色的析出强化效果而成为极具潜力的高强镁合金体系，但其成形性差、塑性通常较低。

近年来，异构调控被认为是实现镁合金高强度-高塑性的有效策略之一。由粗晶和细晶组成的混晶组织可通过粗/细晶间的相互作用产生异质结构变形诱导强化（hetero-deformation induced (HDI) stress strengthening）和硬化（HDI hardening）。然而，由于镁合金晶粒细化难度大、界面密度相对较低，HDI强化和HDI硬化效果在混晶结构中难以得到充分发挥。此外，混晶结构的形成往往伴随着独特的非均匀析出行为，其对力学性能的影响机制亟待探索。而且，高稀土含量镁合金板材制备难、易开裂，是困扰镁合金加工成形领域的瓶颈难题。

研究方法

基于滑移迹线分析、透射表征以及强化机制计算，解释了其变形机制及非均匀析出行为对力学性能的影响机制，为混晶结构镁合金晶粒组织和析出相调控方面提供参考。

图1.（a）时效硬度曲线（b）工程应力-应变曲线（c，d）力学性能对比。

图2. 衬板控轧态Mg-8Gd-4Y-1Zn-0.4Zr合金微观组织。

图3. 峰时效态Mg-8Gd-4Y-1Zn-0.4Zr合金微观组织。

图4. 峰时效态Mg-8Gd-4Y-1Zn-0.4Zr合金中析出相形貌及成分。

图5. 衬板控轧态Mg-8Gd-4Y-1Zn-0.4Zr合金粗晶内变形机制。

研究结果

研究表明，通过单道次、大压下量衬板控轧可获得含有高比例超细晶的混晶组织。此外，合金中存在高密度非均匀析出的基面γ'相，即主要分布于粗晶内，这主要是由于粗晶在变形过程中积累大量位错，可为析出相提供大量形核位点。对该合金变形机制进行探究，发现强基面织构的粗晶主要开启非基面滑移（尤其是锥面<c+a>滑移）来协调变形，而弱基面织构的细晶主要开启基面滑移。观察到粗晶中位于γ'相间的锥面<c+a>位错多呈弓出状，表明高密度γ'相与锥面<c+a>位错产生了强相互作用，意味着基面γ'相对非基面位错的阻碍效果极强。经Orowan强化公式估算，粗晶内高密度γ'相贡献的析出强化效果可达~71MPa，远高于文献报道(8-52MPa)。

主要贡献

通过大压下量衬板控轧可获得同时具有混晶结构和非均匀分布的纳米级γ'相的多级异构Mg-8Gd-4Y-1Zn-0.4Zr合金，该合金呈现出优异的强塑性能结合。高屈服强度主要归因于大量超细晶提供的晶界强化，以及γ'相与粗晶内锥面<c+a>产生的强相互作用。混晶结构镁合金中开启的多种滑移模式、HDI硬化效果以及γ'相对裂纹扩展的抑制作用，是优异塑性的主要来源。本文通过调控混晶组织以及析出相的非均匀分布，为制备高强塑性稀土镁合金板材提供了参考。

期刊介绍

Materials Research Letters 是一本专攻材料工程和技术、材料物理和化学以及新型和新兴材料的高影响力期刊，通过发表原创和引人注目的研究为材料学界提供支持。话题涵盖：

•          金属材料与冶金

•          先进陶瓷材料（结构和功能陶瓷）

•          聚合物材料（结构和功能聚合物及其复合材料）

•           能源材料（太阳能、电池、燃料电池、超级电容器、储氢、核能）

•          功能材料（电子、介电、铁质、磁性、光学和光子材料）

•          低维材料（二维和纳米结构材料，如纳米片、纳米管、纳米线和纳米带）

• 中国科学院材料科学二区

• 影响因子(2022):  8.3

• 影响因子最佳分区 (2022):  Q1

• 5年影响因子( 2022): 9.6

• CiteScore (2022): 14.1

• CiteScore最佳分区(2022): Q1

• 年下载量：39.5万

• 稿件提交到初审意见平均：5天

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 关于作者

查敏（第一作者）

吉林大学教授、博导，国家优秀青年科学基金获得者。从事新型高强塑轻合金设计及高效制备研究，主持国家自然科学基金重点、优青、面上及国家重点专项课题等科研项目；在Acta Materialia、International Journal of Plasticity，Materials Research Letters，Scripta Materialia等学术期刊发表系列学术论文，授权发明专利20余件。担任吉林省青科协副会长、《金属学报》、Materials Research Letters、Journal of Magnesium and Alloys等学术期刊青年编委。

贾海龙（通讯作者）

吉林大学副教授、博导，教育部重大人才工程青年学者。从事高性能轻合金组织控制及制备技术研究。主持国家自然科学基金项目（面上、青年）、科技部重点研发专项子课题、吉林省科技厅项目（重点研发计划、一汽重大科技专项子课题等）、一汽铸造有限公司横向项目等。近年来，在Acta Materialia等学术期刊发表SCI论文40余篇，授权发明专利10余件。担任China foundry、《材料热处理学报》等青年编委。

王慧远（通讯作者）

国家杰出青年基金获得者，全国优秀博士学位论文获得者，教授，博士生导师。主要从事轻合金非平衡凝固与组织控制等制备科学与加工技术研究。作为主要获奖人，获国家技术发明二等奖和吉林省科学技术（自然类）一等奖。作为项目负责人，主持国家自然科学基金杰出青年基金、国家重点研发项目（政府间国际合作）、国家863计划课题、973计划子题、十二五支撑计划专题、吉林省重大科技项目研发人才团队项目等国家和省、部级项目25项。授权发明专利13件，发表SCI 论文124 篇，被SCI 他引1659 次；H 因子25。入选吉林省高级专家、长白山学者、教育部新世纪优秀人才、Scientific Reports编委、Journal of Materials Science & Technology编委等。

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