鎂(Mg)合金由于具有密度低、比強度和剛度高、鑄造性好等優(yōu)點，在各種工業(yè)應(yīng)用中得到廣泛關(guān)注。特別是隨著稀土元素的加入，形成的Mg-RE合金具有更好的固溶強化和/或穩(wěn)定的第二相強化，從而使其在室溫和高溫下的力學性能都優(yōu)于傳統(tǒng)鎂合金。鑄態(tài)Mg-RE合金一般由極粗晶(CG)基體和形成粗晶的共晶化合物組成，微裂紋/孔洞仍然容易在第二相與CG基體之間的界面處形核，從而降低其力學性能。因此，Mg-RE合金的力學性能通常采用晶粒細化方法來改善。然而，由于位錯活性被嚴重抑制，強化的均勻納米晶金屬伴隨著塑性的下降。近年來發(fā)展了多種表面劇烈塑性變形(SSPD)技術(shù)，如表面機械磨損處理(SMAT)、表面機械磨削處理(SMGT)等，以構(gòu)建獨特的結(jié)構(gòu)異質(zhì)梯度納米結(jié)構(gòu)，梯度納米結(jié)構(gòu)的應(yīng)變分配和應(yīng)力轉(zhuǎn)移導致了額外的整體應(yīng)變硬化，從而實現(xiàn)了強度-塑性優(yōu)越組合。雖然已將SSPD應(yīng)用于鎂合金用于增強綜合性能，但是有關(guān)稀土原子在Mg基體中的再溶解信息較少，SSPD對Mg-RE合金的強化機理尚不明確。

來自香港理工大學楊許生和石三強、哈爾濱工業(yè)大學鄭明毅等人采用SMAT技術(shù)成功地在WE43合金上制備了梯度納米結(jié)構(gòu)層。經(jīng)SMAT處理的WE43合金的抗拉強度約為435 MPa，伸長率約為11%。估算了由晶界、高位錯密度和過飽和固溶體引起的硬化效應(yīng)，探討了SMAT加工WE43合金沿深度方向的整體塑性強化機制。相關(guān)論文以題為“Combining gradient structure and supersaturated solid solution to achieve superior mechanical properties in WE43 magnesium alloy”發(fā)表在Journal of Materials Science & Technology。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.04.074

本研究中合金成分為：Mg-4.20Y-2.30Nd-1.44Gd-0.53Zr(WE43)。合金在450℃、40擠壓比、速度0.1 mm/s的條件下熱擠壓，得到1.5mm厚的擠壓板。對WE43合金板材進行SMAT，采用直徑3mm不銹鋼球，在室溫下以20kHz的頻率下進行10min機械磨損，每處理1min后停止30s，防止試樣溫度大幅度上升。

研究發(fā)現(xiàn)梯度納米結(jié)構(gòu)WE43合金組織變化過程為：大量位錯堆積或位錯壁首先在原始粗晶、帶有小角度晶界(LAGBs)的超細亞晶內(nèi)部產(chǎn)生，最后通過位錯堆積和排列形成帶有大角度晶界(HAGBs)的納米晶結(jié)構(gòu)。細化過程還伴隨著織構(gòu)弱化效應(yīng)，在表層形成了平均粒徑約為40 nm的近隨機取向納米顆粒。第二相不可避免地被剪切并完全溶解在α-Mg基體中，在細化梯度層中形成過飽和固溶體納米結(jié)構(gòu)。

圖1 擠壓態(tài)WE43合金的組織分析

圖2 經(jīng)SMAT處理后的WE43板材在表面以下120μm深度的微觀結(jié)構(gòu)

圖3 經(jīng)SMAT處理后的WE43板材在表面以下90μm深度的微觀結(jié)構(gòu)

圖4 經(jīng)SMAT處理后的WE43板材在表面以下60μm深度的微觀結(jié)構(gòu)

圖5 經(jīng)SMAT處理后的WE43板材在(a, b)距表面深度30μm和(c, d)表面的微觀結(jié)構(gòu)

經(jīng)SMAT處理后，WE43合金的顯微硬度沿深度方向逐漸增大，在表層達到最大值約117.5 HV。與原始擠壓態(tài)相比，SMAT加工的WE43合金具有顯著的非均相梯度納米結(jié)構(gòu)應(yīng)變硬化效應(yīng)，其綜合力學性能得到了提高，極限抗拉強度為435 MPa，伸長率為11.0%。梯度納米結(jié)構(gòu)WE43合金的拉伸斷口沿深度方向隨晶粒尺寸的變化呈現(xiàn)出多尺度韌窩，具有較高的強塑性協(xié)同作用。

圖6 (a) WE43在SMAT過程中的動態(tài)再結(jié)晶(DRX)過程示意圖；(b) SMAT產(chǎn)生的梯度結(jié)構(gòu)

本文采用SMAT技術(shù)在室溫下成功制備了梯度納米結(jié)構(gòu)WE43合金。詳細討論了細化過程中的微觀組織演變和相應(yīng)的強化機制。在現(xiàn)有的SMAT加工的WE43合金中，這些協(xié)同硬化效應(yīng)使得SMAT加工的鎂合金和其他SSPD加工的合金具有非凡的力學性能。這項工作有助于全面了解梯度納米結(jié)構(gòu)Mg-RE合金的組織演變和力學強化行為。