【引言】
近年來，高壓輕質高強鎂合金受到了廣泛關注，扭轉納米進一步提高鎂合金強度對拓展鎂合金應用具有重要意義。變形細晶強化和時效析出強化是高壓鎂合金的主要強化機制。哈工大鄭明毅教授和徐超教授對采用常規擠壓或軋制變形工藝制備的扭轉納米析出強化型Mg-8.2Gd-3.8Y-1.0Zn-0.4Zr（wt%）稀土鎂合金的時效行為和強韌化機理開展了深入研究，開發了屈服強度達466 MPa，變形抗拉強度達514MPa, 延伸率達14.5%的高壓超高強韌稀土變形鎂合金（(1) C. Xu, G. H. Fan, T. Nakata, X. Liang, Y. Q. Chi, X. G. Qiao, G. J. Cao, T. T. Zhang, M. Huang, K. S. Miao, M. Y. Zheng, S. Kamado, H. L. Xie. Deformation Behavior of Ultra-Strong and Ductile Mg-Gd-Y-Zn-Zr Alloy with Bimodal Microstructure. Metall and Mat Trans A, 2018, 49(5): 1931-1947；(2) Chao Xu, Taiki Nakata, Xiaoguang Qiao, Mingyi Zheng, Kun Wu, Shigeharu Kamado. Ageing behavior of extruded Mg-8.2Gd-3.8Y-1.0Zn-0.4Zr (wt.%) alloy containing LPSO phase and γ′ precipitates. Sci. Rep., 2017, 7, 43391）。為進一步提高此稀土鎂合金的扭轉納米力學性能，對固溶態Mg-8.2Gd-3.8Y-1.0Zn-0.4Zr合金進行了室溫高壓扭轉(HPT)變形，變形獲得了晶粒度為48納米的高壓稀土鎂合金。劇烈塑性形變產生的扭轉納米高密度缺陷(晶界、位錯、變形點缺陷等)將顯著影響納米稀土鎂合金的高壓時效析出行為。深入研究納米稀土鎂合金的扭轉納米時效行為和強化機理，對開發超高強韌鎂合金具有重要意義。變形
【成果簡介】
近日，哈爾濱工業大學的鄭明毅教授和喬曉光博士（共同通訊作者）等人在Acta Materialia發表最新研究成果“Altered ageing behaviour of a nanostructured Mg-8.2Gd-3.8Y-1.0Zn-0.4Zr alloy processed by high pressure torsion”。該文深入研究高壓扭轉形變Mg-8.2Gd-3.8Y-1.0Zn-0.4Zr納米晶合金的時效行為，發現了劇烈塑性形變納米晶稀土鎂合金的獨特時效析出行為。常規微米級稀土鎂合金峰時效階段的析出強化相主要為β′亞穩相；而高壓扭轉變形納米晶稀土合金在峰時效階段，大量溶質原子偏聚于納米晶界，未觀察到任何析出相。這種溶質原子晶界偏聚強化是峰時效態Mg-8.2Gd-3.8Y-1.0Zn-0.4Zr納米晶合金的主要強化機制。峰時效態（120 oC / 12 h）Mg-8.2Gd-3.8Y-1.0Zn-0.4Zr納米晶合金的顯微硬度達145 HV，顯著高于常規工藝制備的鎂稀土合金。該文提出了晶界溶質原子偏聚的強化模型，揭示了這種溶質偏聚晶界的超高強納米晶稀土鎂合金的強化機理。
【圖文導讀】
圖1 不同溫度下高壓扭轉變形合金時效硬化曲線
圖2 高壓扭轉試樣120°C下時效處理以后的電導率相對變化
圖3 未經時效處理的高壓扭轉試樣的顯微組織
（a）TEM明場像以及對應的電子電子衍射花樣
（b）TEM暗場像
（c）高倍TEM明場像
（d）高角環形暗場-掃描透射電子顯微（HAADF-STEM）照片
（e）- （i）分別為鎂，釓，釔，鋅和鋯元素分布圖
圖4 120°C下時效處理12小時的高壓扭轉試樣顯微組織
（a）TEM明場像以及對應的選區電子衍射花樣
（b）TEM暗場像
（c）高倍TEM明場像
（d）HAADF-STEM圖
（e）圖（d）中標記的晶粒A的原子分辨率HAADF-SEM圖和對應的快速傅里葉變換圖
（f）- （i）分別為圖(e)紅色矩形框內的鎂、釓、釔、鋅和鋯元素分布圖
圖5 120°C下時效處理24小時的高壓扭轉試樣顯微組織
（a）TEM明場像以及對應的電子電子衍射樣式
（b）TEM暗場像
（c）高倍TEM明場像
（d）HAADF-STEM圖
（e）圖（d）中標記的晶粒A的原子分辨率HAADF-STEM圖和對應的快速傅里葉變換圖
（f）圖（e）紅色矩形框內的元素分布圖
（g）圖（d）藍色框內的元素分布圖
圖6 200°C下時效處理3小時的高壓扭轉試樣顯微組織
（a）TEM明場像以及對應的選區電子衍射花樣
（b）TEM暗場像
（c）高倍TEM明場像
（d）HAADF-STEM圖
（e）圖（d）中標記的晶粒A的原子分辨率HAADF-SEM圖和對應的快速傅里葉變化圖
（f）- （j）分別為圖(e)紅色矩形框內的鎂、釓、釔、鋅和鋯元素分布圖
圖7 200°C下時效處理6小時的高壓扭轉試樣顯微組織
（a）TEM明場像以及對應的電子電子衍射樣式
（b）TEM暗場像
（c）HAADF-STEM圖
（d）圖（c）的放大圖
（e）-（i）分別為鎂，釓，釔，鋅和鋯元素分布圖
（j）HRTEM圖
（k）圖（j）中框A的FFT圖
（l）圖（j）中框B的FFT圖
圖8 試樣的XRD圖
（a）高壓扭轉變形及后續時效合金的XRD圖
（b）XRD局部放大圖
圖9 不同時效條件下的硬度值
（a）不同時效條件下，不同強化機制對硬度的貢獻分布圖
（b）硬度計算值和實驗值的比較
【小結】
主要研究結論如下：
（1）高壓扭轉形變Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金的最佳時效工藝為120°C/12h，時效溫度和達到峰時效所需時間均遠低于常規熱變形鎂稀土合金。本文最佳時效處理工藝得到的最高硬度為145HV，高于其他高壓扭轉變形鎂合金及鎂稀土合金的硬度值。
（2）常規微米級Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金的時效強化機制為亞穩β′納米析出相強化，而納米晶Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金的時效強化機制為晶界溶質偏聚。
（3）高壓扭轉變形引入的大量晶界及高密度位錯，促進合金元素擴散，導致時效過程中，大量溶質原子偏聚于晶界。
（4）溶質原子晶界偏聚強化是納米晶Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金的一種主要強化機制。進一步研究鎂合金中的偏聚/團簇形成機理及其強化機制，利用偏聚/團簇進一步提高鎂合金的強度和塑性，對超高強韌鎂合金開發具有重要意義。
文獻鏈接：Altered ageing behaviour of a nanostructured Mg-8.2Gd-3.8Y-1.0Zn-0.4Zr alloy processed by high pressure torsion (Acta Materialia, 2018, doi.org/10.1016/j.actamat.2018.04.003)。
本文由材料人編輯部金屬組 楊樹 供稿，材料牛編輯整理。
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