四校联合发表《Scripta》新发现！织构强化和析出强化助力Mg-Gd合金性能大幅度提升 ...

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导读：本文在二元Mg-Gd合金中，仅以很小的挤压比即可获得超高强度，主要的强化机制与以前的工作不同，首次发现时效沉淀仅在未DRX的大晶粒中发生，而在DRX细晶粒中则不发生。挤压+峰值时效合金的TYS增加到470 MPa。超高强度主要与织构强化和析出强化有关，而不是与具有大塑性变形的常规Mg合金中的细晶粒强化和析出强化有关。

普通镁（Mg）合金强度低是阻碍其大规模应用的主要原因之一。目前，已报道的高强度稀土镁合金通常同时依赖于析出强化和细晶粒强化。关于析出强化，通过优化RE元素的种类和含量，可以在时效过程中形成大量的纳米沉淀，从而发挥出色的强化效果。对于细晶粒的微观结构，它主要取决于热变形加工（例如热挤压）过程中的动态再结晶（DRX），而要实现完整（或几乎完全）的DRX需要相对较大的塑性变形（例如挤压比> 20）。然而，在某些实际要求/应用中，由于电流设备的限制，不能以较大的挤压比加工具有大横截面的零件或产品，也就是说，只能以较小的挤压比加工。在这样的实际条件下，不再能够实现完全DRX的细晶粒结构。

当前，镁合金实际应用中的关键问题之一是某些零件/产品不仅需要大的横截面，而且沿特定方向或某些方向还要求高强度。如果由于挤压比小而无法获得良好的DRX微观结构，是否仍能达到高强度（接近500MPa）。

在这项研究中，沈阳化工大学联合东北大学、哈尔滨工业大学和西安交通大学选择Gd作为唯一的合金元素，该元素在Mg合金中具有最大的时效硬化潜力，并通过传统的挤压工艺以较小的挤压比制备二元Mg-13Gd合金，通过充分利用织构强化和沉淀强化，可以容易地在这种85％的未再结晶合金中获得在拉伸下超过500MPa的高强度，首次发现了一种析出现象，即仅在大尺寸非DRX颗粒析出，而在小尺寸DRX颗粒中不析出。这项研究扩展了开发高强度锻造镁合金的思路。相关研究结果以题为“Achieving exceptionally high strength in binary Mg-13Gd alloy by strong texture and substantial precipitates”发表在Scripta Materialia上。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359646220307223

图1给出了在室温下测试的Mg-13Gd样品（0h）和峰值时效（20h）的拉伸工程应力-应变曲线。可以看出，挤压后的合金具有强度和延展性相对较好的组合，拉伸屈服强度（TYS），极限拉伸强度（UTS）和伸长率分别为350 MPa，388 MPa和〜4.5％。有趣的是，在随后的时效处理之后，合金的强度将大大提高。峰值时效的Mg-Gd样品具有470 MPa的超高TYS和508 MPa的UTS。

图1.挤压未时效（0h）和峰值时效（20h）样品的工程应力-应变拉伸曲线

图2.光学图像（a），TEM图像（b），反极图（IPF）对应于从中挤出的Mg-13Gd样品的ED（c）和（0002）和（10-10）极图（d）的参考 EBSD。

图3.挤压样品的TEM图像：（a）电子束平行于[0001]-的细长晶粒中的微观结构的高角度环形暗场（HAADF）图像和（b）环形亮场（ABF）图像。 Mg，（c）（a）中由矩形框指示的位错处的沉淀物的高倍率HAADF图像，（d）对应于（c）中红色箭头指示的沉淀物的FFT，（e）HAADF图像（f）用平行于[11-20]ɑ-Mg的电子束观察到的细长晶粒中的微结构的ABF图像，（g）矩形框所指示的位错处的沉淀物的高倍放大HAADF图像，（f）和（h）对应于（g）中红色箭头指向的沉淀的FFT。

图4.20h时效样品的TEM图像：（a）包含动态沉淀物，DRX晶粒和细长晶粒内的沉淀物的微观结构的HAADF图像，（b）用电子束观察到的DRX晶粒中的微观结构的高倍率HAADF图像平行于[11-20]ɑ-Mg，由（a）中的红色箭头指向，并且对应于矩形框的FFT，（c）沿[0001]观察到的细长晶粒中棱柱形沉淀物的HAADF图像 ]ɑ-Mg，并且对应于矩形框的FFT，（d）沿[11-20]ɑ-Mg观察到的细长晶粒中的棱柱状沉淀的HAADF图像，并且对应于矩形框的FFT。

综上所述，本文通过简单的热变形和小的塑性变形并随后进行时效处理，可以在简单的二元Mg-13Gd二元合金中实现超高强度，其TYS，UTS和延伸率分别为350 MPa，388 MPa和〜4.5％；未DRX晶粒的强固织构和内部位错钉扎极大地促进了挤压合金的强度，时效析出仅在未DRX的大晶粒中形成，而在DRX的细晶粒中则不形成。挤压+时效合金的TYS，UTS和延伸率分别为470 MPa，508 MPa和〜2.5％。在塑性变形大的常规镁合金中，织构强化和析出强化，而不是细晶粒强化和析出强化，对挤压+时效合金的强度有很大的贡献。

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