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【AI讀論文】鎂合金的“超能力”：如何讓鎂合金變得超級柔韌？

2025-04-30 17:14:27 作者：材料科學和技術來源：材料科學和技術分享至：

引言：為什么鎂合金需要“超塑性”？

鎂合金是材料界的“輕量級冠軍”，比鋁還輕，但有一個致命缺點——太脆！在室溫下很難加工成復雜形狀，限制了它在航空航天、汽車等領域的應用。

于是，科學家們開始研究如何讓鎂合金變得“超級柔韌”，也就是具備超塑性（Superplasticity）。超塑性可以讓鎂合金像口香糖一樣拉伸好幾倍而不斷裂，輕松塑造復雜零件。

那么，如何讓鎂合金擁有這種“超能力”呢？這篇科普文章帶你一探究竟！

合金化策略：給鎂合金加點“料”

（1）高合金化：用“硬質粒子”鎖住晶界

高合金化鎂合金（如鎂稀土合金）通過添加大量合金元素，形成高熔點的第二相粒子（如Mg-RE相）。這些粒子像“釘子”一樣釘住晶界，抑制高溫下晶粒粗化，促使變形過程中晶界滑移的持續激活，實現超塑性（延伸率通常＞400%）。

典型案例：Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金在高溫下能拉伸3570%（相當于3米長的材料拉成100多米！）。
缺點：稀土元素太貴，成本高。

（2）低合金化：用“溶質偏聚”穩定晶界

為了降低成本，科學家嘗試用少量合金元素（如Zn、Ca）實現超塑性。這些元素會在晶界處富集（溶質偏聚），像“膠水”一樣粘住晶界，阻礙高溫超塑性變形過程中晶粒長大。

典型案例：Mg-Zn-Ca-Sn-Mn合金在573K下能拉伸410%，成本僅為高合金的1/10！
優勢：便宜，適合工業化生產。

（3）鎂鋰合金：低溫也能“超柔韌”

鎂鋰（Mg-Li）合金是“低溫超塑性”的明星，因為鋰的加入讓鎂的晶體結構更易變形。

神奇表現：某些Mg-Li合金在室溫下就能拉伸400%以上！
應用前景：適合制造手機、筆記本電腦等精密部件。

晶粒結構調控：細晶 vs. 混晶

（1）細晶鎂合金：越小越“軟”

超塑性通常需要晶粒尺寸<10微米。科學家通過劇烈塑性變形（SPD）技術（如ECAP、HPT）制備超細晶鎂合金。

ECAP（等通道轉角擠壓）：讓鎂合金通過特殊模具，晶粒被“壓碎”成亞微米級/納米級。
HPT（高壓扭轉）：邊壓邊扭，晶粒可細化到100納米以下，室溫也能實現超塑性！

（2）混晶鎂合金：粗細搭配，干活不累

傳統觀點認為超塑性需要均勻細晶，但近年研究發現，粗晶+細晶的“混晶結構”也能實現超塑性！

粗晶的作用：在超塑性變形中發生動態再結晶（CDRX），不斷“分裂”出細晶，協調變形。
典型案例：混晶結構AZ91鎂合金拉伸580%不斷裂。

超塑性機制：高溫下的“魔術”

（1）晶界滑移（GBS）：超塑性的核心

超塑性變形時，晶粒會像“積木”一樣滑動，占變形量的50%以上。細晶和高溫能促進GBS。

（2）高應變速率超塑性（HSRS）：快速協調變形能力

普通超塑性需要慢速拉伸（應變速率<10?³/s），但HSRS能在10?²/s（快10倍以上）下實現高柔韌性！

策略：超細晶/納米晶；液相輔助調控機制（局部高溫熔化晶界）；動態再結晶。
超細晶Mg-9Li-1Zn合金：在10^-2/s高應變速率下拉伸，延伸率可達到~445%。

（3）低溫超塑性（LTSP）：室溫也能“拉絲”

通過納米晶或溶質偏聚，某些鎂合金在室溫下就能展現超塑性，比如：

Mg-8Li合金：室溫拉伸440%，像橡皮筋一樣柔韌！

未來展望：更便宜、更強、更實用

（1）低成本化：減少稀土用量，開發低合金化無稀土超塑性鎂合金。

（2）工業化生產：改進傳統軋制、擠壓工藝，替代昂貴的SPD技術。

（3）混晶結構優化：探索混晶結構對鎂合金超塑性變形機制的影響。

（4）室溫超塑性：讓鎂合金在常溫下就能輕松加工，徹底改變制造業！

結語：鎂合金的“變形記”

從“脆如餅干”到“柔若橡皮”，科學家通過合金設計、晶粒調控和變形機制優化，讓鎂合金擁有了“超能力”。未來，隨著技術進步，超塑性鎂合金或將成為輕量化材料的“終極選擇”！

想象一下：未來的3C殼體、汽車、甚至飛機殼體構件，都可能由這種“超級鎂合金”制成，既輕又強，還能像塑料一樣隨意塑形——這才是真正的“黑科技”！

圖片解析

圖1. 本綜述關鍵科學問題的示意圖。

圖2. AZ91合金在不同拉伸應變階段的SEM圖像：(a, b) ~20%應變；(d, e) ~235%應變；(g, h) ~563%應變（即斷裂狀態）；(j, k) 在250℃等溫熱處理樣品（對應~563%應變的等效保溫時間）的微觀結構。對應的晶粒尺寸分布圖分別如(c, f, i, l)所示。

圖3. 典型超塑性Mg-Al-Zn系合金的力學性能統計。虛線顯示了應變率與超塑性之間的權衡關系。

圖4. HRDSR工藝制備的Mg-13Zn-1.5Y合金在523 K、1×10?³ s?¹條件下拉伸1021%應變后的標距區域SEM圖像：(a) 低倍率；(b) 高倍率。

圖5. 典型超塑性Mg-Zn系合金的力學性能統計。虛線顯示了應變率與超塑性之間的權衡關系。

圖6. (a) FSP工藝制備的Mg-9Gd-4Y-1Zn-0.4Zr合金在不同溫度下以3×10?² s?¹應變率拉伸至斷裂的樣品形貌；(b) FSP工藝制備的Mg-9Gd-4Y-1Zn-0.4Zr合金的TEM圖像。

圖7. 典型超塑性Mg-RE系合金的力學性能統計。虛線顯示了應變率與超塑性之間的權衡關系。

圖8. 典型超塑性Mg-Li系合金的力學性能統計。虛線顯示了應變率與超塑性之間的權衡關系。

圖9. (a) 基準樣品和軋制退火態ZXTM1000合金在573 K和1×10?³ s?¹條件下拉伸的應力應變曲線；(b) 基準樣品的IPF圖；(c) 基準樣品的TEM圖像。

圖10. ZXAM2111合金在623 K和1.0×10?³ s?¹條件下拉伸至不同應變（0%、~200%、~503%）時的HAADFSTEM圖像：(a–c) 及其對應的黃色矩形區域的EDS分析結果 (d–f)。

圖11. (a–c) 拉伸至不同應變（0%、~200%、~503%）樣品的HAADFSTEM圖像；(d–f) 跨越晶界的EDS線掃描分析。

圖12. (a) 軋制退火態ZXKQ1000合金的代表性HAADFSTEM圖像；(b) 對應的EDS掃描結果；(c) ZXKQ1000合金在300°C和1×10?³ s?¹條件下拉伸至~220%應變時的HAADFSTEM圖像；(d) 對應的EDS掃描結果。

圖13. (a) 拉伸至~100%應變的樣品的IPF圖像；(b) 對應的向錯密度分量θ??分布圖（單位：rad μm?²）；(c) 位錯密度分布圖（單位：μm?¹）；(d) 拉伸至~120%應變樣品的IPF圖像；(e) 對應的向錯密度分量θ??分布圖；(f) 位錯密度分布圖。

圖14. 拉伸至不同應變下的HPRed AZ91合金的IPF圖像：(a) ~10%；(b) ~100%；(c) ~580%（斷裂狀態）；(d–f) 對應的KAM圖。

圖15. 超塑性鎂合金的晶格擴散晶粒尺寸校正的應變速率隨歸一化應力的變化關系圖。圖中用彩色橢圓標出了四個區域：(1) “輕”溶質元素與“雙相”微觀結構；(2) “輕”溶質元素；(3) “重”溶質元素；(4) 易形成LPSO相的“重”溶質元素。

圖16. HPT工藝制備的Mg-8Li合金的微觀組織：(a) HAADF圖像顯示Mg和Li原子的分布，表明Li沿晶界偏聚；(b) 對應的EELS圖譜；(c) Li元素的能量過濾透射電子顯微鏡（EFTEM）圖；(d) EFTEM圖像中沿x方向的Li灰度變化。

圖17. 擠壓態和HPT工藝制備的Mg-8Li合金在300 K下的拉伸測試結果：(a) 應變速率為1×10?³ s?¹時的應力應變曲線；(b) 極限拉伸應力隨應變速率的變化；斜率代表應變率敏感性m。

課題組簡介

王慧遠，國家級人才基金項目、教育部特聘教授、全國優秀博士學位論文獲得者。主要從事輕合金非平衡凝固與組織控制等制備科學與加工技術領域的教學、科研工作。在高性能輕合金設計與液固協同組織調控方面取得多項成果。承擔國家重點研發計劃項目、國家自然基金重大項目、重點項目等。獲吉林省技術發明一等獎等。擔任J. Mater. Sci. Technol.、J. Magnes. Alloy.、《金屬學報》編委等學術兼職。

查敏，國家級人才基金項目。主要從事輕合金組織控制、強韌化與加工制備領域的教學、科研工作。在輕合金組織控制、強韌化、塑性/超塑性及高效制備關鍵技術方面取得多項成果。在Acta Mater., Int. J. Plast., Adv. Mater.，Mater. Res. Lett., Scri. Mater.等期刊發表系列學術論文。承擔國家重點研發計劃項目（國際合作）/課題、國家自然基金重點項目、優青項目和面上項目等。獲國際鎂學會優秀青年科學家獎、吉林省技術發明一等獎（排3）、全國高校冶金院長獎等。擔任《金屬學報》編委、Mater. Res. Lett.與J. Magnes. Alloy.青年編委等學術兼職。

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