基于晶界偏聚和非基面滑移激活開發室溫高塑性鎂合金

鎂合金作為最輕的金屬結構材料，在航空航天、武器裝備、汽車、3C電子等領域具有巨大的應用潛力。低的室溫塑性一直是限制鎂合金廣泛應用的主要阻礙之一。HCP結構提供了有限數量的可激活的滑移系統，并且只有兩個獨立的基面滑移系統易于激活，遠不能滿足Von Mises/Taylor準則。獲得超細晶 (約1 μm及以下) 是提高鎂及其合金室溫塑性的重要手段，然而獲得超細晶往往需要特殊的設備和工藝，限制了廣泛推廣應用。

近期，哈爾濱工程大學張景懷課題組綜合利用晶界偏聚和高比例非基面滑移激活開發出室溫高塑性鎂合金。相關論文以“Developing a Mg Alloy with Ultrahigh Room Temperature Ductility via Grain Boundary Segregation and Activation of Non-basal Slips”為題發表于International Journal of Plasticity。哈爾濱工程大學材料科學與化學工程學院博士生張志為論文第一作者，博士生導師張景懷為通訊作者，哈爾濱工程大學為唯一通訊單位。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2023.103548

在本工作中，通過Er (0.3 at%)元素微合金化、擠壓變形和退火等工藝制備了平均晶粒尺寸~8 µm的Mg-Er合金(圖1)，獲得了室溫下接近50%斷裂延伸率的高塑性(圖2)。相比超細晶而言，該動態再結晶晶粒尺寸可以容易地通過工業常規熱擠壓工藝(擠壓溫度300-400 °C)獲得，因此該超高塑性鎂合金具有高效大規模應用潛力。

作者利用原位EBSD+SEM滑移跡線分析定性/定量研究了變形模式激活規律，表明Mg-Er合金在中等細化晶粒(8 μm)下能夠激活相當多非基面滑移，明顯高于對比合金，且非基面滑移的激活也一定程度上抑制了孿生。基于TEM位錯柏氏矢量分析原理(g·b=0缺陷不可見原則)，利用雙束條件下WBDF在拉伸后的退火Mg-Er合金中觀察到大量的非基面滑移，這驗證了滑移痕跡分析的結果。晶界裂紋是變形過程中難以避免的，晶界處的幾何必須位錯密度隨應變量的增加而增加(圖3)。作者利用STEM-HAADF/EDS量化分析不同狀態退火的Mg-Er合金的晶界偏聚水平，300 °C下退火合金的晶界偏聚水平明顯更高，這利于晶界處的非基面位錯激活和抑制晶界開裂，進而獲得更高的室溫塑性。