導(dǎo)讀：本文通過引入非均質(zhì)層狀結(jié)構(gòu)，我們獲得了鎂合金優(yōu)異的強(qiáng)度-塑性協(xié)同效應(yīng)，并具有優(yōu)異的應(yīng)變硬化能力，即屈服強(qiáng)度為 251 MPa，抗拉強(qiáng)度為393 MPa，延伸率為23%。通過先進(jìn)的表征技術(shù)，我們發(fā)現(xiàn)強(qiáng)化主要是由非均勻分布的異質(zhì)變形誘導(dǎo)（HDI）應(yīng)力引起的晶界傾斜引起的，而晶界傾斜是由異質(zhì)多晶相互作用介導(dǎo)的。在晶界傾斜和晶間滑移轉(zhuǎn)移的誘導(dǎo)下，各種異常變形模式對(duì)增強(qiáng)延性有顯著貢獻(xiàn)。該研究為避免MG合金的強(qiáng)度-延性權(quán)衡困境提供了一條新的途徑。

鎂(Mg)合金作為一種密度低、比強(qiáng)度高、質(zhì)量最輕的金屬材料，在交通運(yùn)輸、航空航天、電子工業(yè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，受到了廣泛的關(guān)注。然而，高強(qiáng)度鎂合金的一個(gè)關(guān)鍵問題是缺乏延性，這是由于六方密排（HCP）鎂的易激活滑移模式有限造成的。為了獲得鎂合金的高強(qiáng)度，傳統(tǒng)的強(qiáng)化方法包括沉淀硬化、晶粒細(xì)化和引入較強(qiáng)的基體織構(gòu)，但都是以犧牲塑性為代價(jià)的。對(duì)于典型的高強(qiáng)度鎂合金，其極限強(qiáng)度約為400Mpa，它們的延展性通常在2~13%之間。研制具有良好強(qiáng)度和延性的鎂合金是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。

在材料中引入微觀結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性是規(guī)避強(qiáng)度-延性困境最有前途的設(shè)計(jì)策略之一。一個(gè)典型的例子是梯度結(jié)構(gòu)鋼，它不僅具有高達(dá)55%的拉伸斷裂伸長率，與均質(zhì)粗粒（CG）樣品相比，而且屈服強(qiáng)度高達(dá)約200 MPa，是其高的2.6倍。由于疇界面附近的多晶粒不均勻性和應(yīng)變梯度，高強(qiáng)度和高延性可以在異質(zhì)變形誘導(dǎo)（HDI）應(yīng)力的情況下同時(shí)實(shí)現(xiàn)，然而，由于缺乏主動(dòng)變形模式，異質(zhì)結(jié)構(gòu)的鎂合金很難達(dá)到超過18%的伸長。例如，梯度結(jié)構(gòu)的AZ31 鎂合金的屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度分別可達(dá) 240和 325 MPa（相比之下，均勻CG合金的屈服強(qiáng)度為 188和 260 MPa），斷裂伸長率顯著下降，從 17%降至 6%。特別是，當(dāng)異質(zhì)組織鎂合金具有高屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度 250和 350 MPa時(shí)，其延性顯著下降至~ 10%，接近高強(qiáng)度細(xì)粒（FG）鎂合金。盡管異質(zhì)晶組織鎂合金可以實(shí)現(xiàn)有效的強(qiáng)化，但有效增強(qiáng)延性仍很困難，這通常需要激活CGs和FGs的多種變形模式，如非基性滑移或具有較低施密特因子的滑移系統(tǒng)。

在本研究中，吉林大學(xué)超硬材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室查敏等人采用簡單的軋制和精確控制的退火工藝，獲得了一種新型的異質(zhì)層狀結(jié)構(gòu)Mg-9Al-1Zn-1Sn合金（簡稱HL-Mg合金）。HL-Mg合金具有交替的微觀CG和FG層，并表現(xiàn)出令人印象深刻的強(qiáng)度-延性協(xié)同作用，即高屈服強(qiáng)度約251 MPa，抗拉強(qiáng)度約393 MPa和卓越的延性約23%。通過掃描電子顯微鏡（SEM）、準(zhǔn)原位電子背散射衍射（EBSD）和透射電子顯微鏡（TEM）表征，計(jì)算了異質(zhì)界面/晶界（GBs）附近的應(yīng)變梯度。研究發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)化主要是由非均勻多晶相互作用介導(dǎo)的晶內(nèi)位錯(cuò)和與傾斜相關(guān)的高密度應(yīng)力的不均勻分布引起的。大量異常變形模式被激活，如低施密特因子錐體<c+a>;滑動(dòng)和非均勻的羽毛狀孿晶，由GB傾斜和晶間滑移轉(zhuǎn)移引起，這對(duì)適應(yīng)全局和局部應(yīng)變（例如在CGs和FGs之間）至關(guān)重要。通過引入層狀異質(zhì)晶粒結(jié)構(gòu)來控制晶間/晶內(nèi)缺陷分布（如位錯(cuò)、斜位和孿晶），我們的工作為高強(qiáng)度和高延性鎂合金的設(shè)計(jì)提供了新的見解。

采用硬板軋制（HPR）工藝，在軋制時(shí)，在軋輥和試樣之間添加硬板（由硬化鋼 50 HRC制成，厚度為1 mm），制備了HL-Mg合金。將5 mm厚的商用擠壓Mg-9Al-1Zn-1Sn （wt.%）板材在573 K下預(yù)熱15分鐘，然后用HPR一次折減80%軋制至1 mm，然后在573 K下退火290 s，制備HL-Mg合金。為了進(jìn)行比較，采用多道次軋制和不同退火參數(shù)制備相同成分的鎂合金，得到CG和FG對(duì)應(yīng)物。

研究結(jié)果以題為“High strength and high ductility achieved in a heterogeneous lamella-structured magnesium alloy”發(fā)表在Materials Research Letters 上。

鏈接：https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/21663831.2022.2133976

圖 1（a）HL-Mg合金的低倍率IPF圖；（b）FG層和CG層的粒度分布；（c）FG層和CG層的(0002)PFs。（d）和（e）軋制樣品和退火樣品的IPF圖；（f）和（g）典型區(qū)域的高倍IPF和對(duì)應(yīng)的SEM微觀結(jié)構(gòu)；（h）和（i）TEM分析顯示Mg17Al12顆粒主要沿FGs的GBs分布。

圖 2（a）沿RD方向CG、FG和HL試樣的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線;a的插圖是HL試樣的HDI-應(yīng)力曲線和HDI/應(yīng)變硬化曲線；（b）將本HL-Mg合金(星號(hào)表示)與文獻(xiàn)報(bào)道的累積軋制鍵合(ARB)、等道角加工(ECAP)、擠壓、高比差速軋制(HRDSR)和變形AZ80、AZ31、梯度組織和雙模組織Mg-Al-Zn合金的AZ91鎂合金的屈服強(qiáng)度和斷裂伸長進(jìn)行比較。

圖 3（a）未變形HL-Mg合金的IPF圖；（b）標(biāo)量分辨密度(rad μm−2)和（c）標(biāo)量GND密度（μm−1）；（d）3.5%應(yīng)變HL-Mg合金的IPF圖；（e）標(biāo)量分離密度（rad μm−2）和（f）標(biāo)量GND密度（μm−1）。

圖 4（a）g=[1010]雙光束條件下，約13%拉伸變形后典型FG的暗場TEM圖像；（b）使用g=[0002]表示（a）中（b）區(qū)域的明亮場TEM圖像；（c）用g=[0002]得到（a）中（c）區(qū)域的暗場TEM圖像。（d）使用g=[0002]得到典型FG在 23%拉伸變形后的暗場TEM圖像。

圖 5（a）確定的CG層和FG層滑動(dòng)活動(dòng)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果；（b）CG層典型區(qū)域的滑移轉(zhuǎn)移；（c）-（f）激活羽毛狀張力孿晶時(shí)，典型CG異質(zhì)界面附近的IPF、標(biāo)度梯度密度（rad μm-2）、標(biāo)度地密度（μm−1）和掃描電鏡，白色數(shù)字表示單軸載荷下m值（施密特因子）。

本文報(bào)道了粗晶粒層（8.9 μm）和細(xì)晶粒層（1.6 μm）交替形成的非均相片層結(jié)構(gòu)（HL）鎂合金具有優(yōu)異的強(qiáng)度-延性協(xié)同作用。目前的HL-Mg合金具有明顯的應(yīng)變硬化和優(yōu)越的強(qiáng)度-塑性協(xié)同作用，即延伸率約23%，屈服強(qiáng)度為251 MPa和抗拉強(qiáng)度為393 MPa。高屈服強(qiáng)度的主要原因是HDI應(yīng)力分布不均勻，這是由非均質(zhì)多晶粒相互作用介導(dǎo)的。低施密德因子錐體<a>等多種異常變形模式的激活，有利于提高塑性;滑動(dòng)和非均勻的羽毛狀孿晶，由GB傾斜和晶間滑移轉(zhuǎn)移引起，既適應(yīng)全局應(yīng)變，也適應(yīng)CG/FG之間的局部應(yīng)變。這些調(diào)節(jié)變形模式不僅在高應(yīng)力水平下實(shí)現(xiàn)了有效的應(yīng)變調(diào)節(jié)，而且隨后促進(jìn)了位錯(cuò)的積累和相互作用，最終導(dǎo)致了高HDI應(yīng)變硬化性和高拉伸強(qiáng)度。通過引入層狀異質(zhì)晶粒結(jié)構(gòu)來控制晶間/晶內(nèi)缺陷分布(如位錯(cuò)、斜位和孿晶)，我們的工作為高強(qiáng)、高塑性鎂合金的設(shè)計(jì)提供了新的見解。