《Acta Materialia》

近日，上海交通大学材料科学与工程学院轻合金精密成型国家工程研究中心曾小勤教授团队在镁基复合材料强韧化研究方面取得重要进展。通过调控界面元素偏聚与变形诱导再结晶的协同策略，成功实现了镁基复合材料模量、强度与塑性的协同提升，设计了ZX50/SiC镁基复合材料，弹性模量达到69GPa，抗拉强度超过300MPa，延伸率达到7%，突破了该领域长期存在的“刚度-塑性”权衡难题。

相关成果“Overcoming the specific stiffness/ductility trade-off in ZX50/SiC magnesium composites through solute-segregation interface strengthening and deformation-induced recrystallization”发表于国际材科科学顶级期刊《Acta Materialia》（https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.121532）

上海交通大学曾小勤教授、王静雅副教授、西班牙IMDEA材料研究所Javier LLorca教授为文章共同通讯作者，上海交通大学博士生熊洪威为论文第一作者。研究工作获得了国家自然科学基金（项目号：52471012, 52425101, 52305158）、马德里Comunidad de Madrid, Recovery, Transformation and Resilience Plan及欧盟NextGeneration EU基金支持的MAD2D-CM-IMDEA项目的资助。

传统结构金属（包括钢铁、钛、铝、镁合金等）的比刚度约为26 MJ⋅kg-1，而材料的弹性模量取决于本征的原子间结合力，传统的强化策略(合金化和热机械加工)无法突破这一限制。通过引入高刚度陶瓷颗粒（如SiC）制备金属基复合材料，是大幅提升其比刚度的有效途径。然而，这类复合材料长期以来面临一个致命的缺陷：高刚度往往以牺牲塑性为代价，使其无法满足工程部件对可靠性和安全性的要求。其根源在于脆弱的颗粒/基体界面，极易在变形初期发生脱粘，引发界面裂纹并迅速扩展，导致脆性断裂。如何协同提升复合材料的刚度与塑性，是国际材料领域亟待解决的重大挑战。

面对这一难题，研究团队摒弃了传统的界面改性思路，转而从原子键合和局域塑性两个角度对界面进行主动设计与调控。团队选用Mg-5Zn-0.2Ca（ZX50）合金为基体，利用半固态搅拌铸造技术成功制备了SiC颗粒均匀分布的复合材料。研究发现，Zn和Ca原子在制备过程中会自发共偏聚于Mg/SiC界面，形成约4纳米厚的界面富集层。溶质原子的界面共偏聚行为显著增强了界面处的电荷转移与电子局域化效应，从而大幅提升了界面结合强度。微柱压缩实验证明，改性后的界面强度高达300 MPa以上，远高于普通Mg/SiC界面，有效抑制了变形初期的界面脱粘。

此外，强烈的界面应变集中，激活了常规镁合金中难以启动的<c+a>位错。这些位错在界面附近大量增殖、缠结和重组，形成了小角度晶界（LAGBs）。更为重要的是，在界面微裂纹的尖端，极高的应变能直接诱发了连续动态再结晶（CDRX）。通过先进的纳米衍射技术（PED），清晰观测到在裂纹尖端的前方形成了数百纳米尺度的超细再结晶晶粒。这个过程如同在裂纹扩展的路径上设置了一道“韧性屏障”：再结晶过程吸收了裂纹尖端的能量，钝化了裂纹尖端，显著降低了应力集中因子，从而有效阻止了裂纹的快速扩展。同时，新形成的超细晶粒还能提供持续的加工硬化能力，使得复合材料在变形后期仍能保持较高的均匀变形能力。

该研究不仅成功制备出了兼具超高比刚度与良好塑性的镁基复合材料，更揭示了“界面溶质偏聚强化”与“裂纹尖端变形诱导再结晶增韧”的协同机制，为下一代高性能金属基复合材料的开发提供了新思路。

图1. (a-b）ZX50/SiC复合材料的界面HAADF-STEM 图像。(c-d) 界面区域的元素偏聚行为。 (e-f）基体和界面区域的电子能量损失谱。

图2. (a) ZX50/SiC和Mg/SiC单一界面复合微柱的压缩应力-应变曲线。(b-c) 两种复合微柱变形后的典型特征。

图3. ZX50/SiC(a-f)和Mg/SiC(g-l)复合材料的变形和断裂机理。

图4. ZX50/SiC 复合材料界面裂纹附近基体的变形。(a-e)界面裂纹附近由变形引起的再结晶区域。 (f-g) 界面裂纹附近区域的<c+a>位错和小角度晶界。 (h-i) 再结晶区域的HAADF-STEM图像。

图 5. ZX50/SiC 和 Mg/SiC复合材料的力学性能及对比图。

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