Acta Materialia：高压扭转变形纳米Mg-8.2Gd-3.8Y-1.0Zn-0.4Zr合金的时效行为

【引言】

近年来，轻质高强镁合金受到了广泛关注，进一步提高镁合金强度对拓展镁合金应用具有重要意义。细晶强化和时效析出强化是镁合金的主要强化机制。哈工大郑明毅教授和徐超教授对采用常规挤压或轧制变形工艺制备的析出强化型Mg-8.2Gd-3.8Y-1.0Zn-0.4Zr（wt%）稀土镁合金的时效行为和强韧化机理开展了深入研究，开发了屈服强度达466 MPa，抗拉强度达514MPa, 延伸率达14.5%的超高强韧稀土变形镁合金（(1) C. Xu, G. H. Fan, T. Nakata, X. Liang, Y. Q. Chi, X. G. Qiao, G. J. Cao, T. T. Zhang, M. Huang, K. S. Miao, M. Y. Zheng, S. Kamado, H. L. Xie. Deformation Behavior of Ultra-Strong and Ductile Mg-Gd-Y-Zn-Zr Alloy with Bimodal Microstructure. Metall and Mat Trans A, 2018, 49(5): 1931-1947；(2) Chao Xu, Taiki Nakata, Xiaoguang Qiao, Mingyi Zheng, Kun Wu, Shigeharu Kamado. Ageing behavior of extruded Mg-8.2Gd-3.8Y-1.0Zn-0.4Zr (wt.%) alloy containing LPSO phase and γ′ precipitates. Sci. Rep., 2017, 7, 43391）。为进一步提高此稀土镁合金的力学性能，对固溶态Mg-8.2Gd-3.8Y-1.0Zn-0.4Zr合金进行了室温高压扭转(HPT)变形，获得了晶粒度为48纳米的稀土镁合金。剧烈塑性形变产生的高密度缺陷(晶界、位错、点缺陷等)将显著影响纳米稀土镁合金的时效析出行为。深入研究纳米稀土镁合金的时效行为和强化机理，对开发超高强韧镁合金具有重要意义。

【成果简介】

近日，哈尔滨工业大学的郑明毅教授和乔晓光博士（共同通讯作者）等人在Acta Materialia发表最新研究成果“Altered ageing behaviour of a nanostructured Mg-8.2Gd-3.8Y-1.0Zn-0.4Zr alloy processed by high pressure torsion”。该文深入研究高压扭转形变Mg-8.2Gd-3.8Y-1.0Zn-0.4Zr纳米晶合金的时效行为，发现了剧烈塑性形变纳米晶稀土镁合金的独特时效析出行为。常规微米级稀土镁合金峰时效阶段的析出强化相主要为β′亚稳相；而高压扭转变形纳米晶稀土合金在峰时效阶段，大量溶质原子偏聚于纳米晶界，未观察到任何析出相。这种溶质原子晶界偏聚强化是峰时效态Mg-8.2Gd-3.8Y-1.0Zn-0.4Zr纳米晶合金的主要强化机制。峰时效态（120 oC / 12 h）Mg-8.2Gd-3.8Y-1.0Zn-0.4Zr纳米晶合金的显微硬度达145 HV，显著高于常规工艺制备的镁稀土合金。该文提出了晶界溶质原子偏聚的强化模型，揭示了这种溶质偏聚晶界的超高强纳米晶稀土镁合金的强化机理。

【图文导读】

图1 不同温度下高压扭转变形合金时效硬化曲线

图2 高压扭转试样120°C下时效处理以后的电导率相对变化

图3 未经时效处理的高压扭转试样的显微组织

（a）TEM明场像以及对应的电子电子衍射花样

（b）TEM暗场像

（c）高倍TEM明场像

（d）高角环形暗场-扫描透射电子显微（HAADF-STEM）照片

（e）- （i）分别为镁，钆，钇，锌和锆元素分布图

图4 120°C下时效处理12小时的高压扭转试样显微组织

（a）TEM明场像以及对应的选区电子衍射花样

（b）TEM暗场像

（c）高倍TEM明场像

（d）HAADF-STEM图

（e）图（d）中标记的晶粒A的原子分辨率HAADF-SEM图和对应的快速傅里叶变换图

（f）- （i）分别为图(e)红色矩形框内的镁、钆、钇、锌和锆元素分布图

图5 120°C下时效处理24小时的高压扭转试样显微组织

（a）TEM明场像以及对应的电子电子衍射样式

（b）TEM暗场像

（c）高倍TEM明场像

（d）HAADF-STEM图

（e）图（d）中标记的晶粒A的原子分辨率HAADF-STEM图和对应的快速傅里叶变换图

（f）图（e）红色矩形框内的元素分布图

（g）图（d）蓝色框内的元素分布图

图6 200°C下时效处理3小时的高压扭转试样显微组织

（a）TEM明场像以及对应的选区电子衍射花样

（b）TEM暗场像

（c）高倍TEM明场像

（d）HAADF-STEM图

（e）图（d）中标记的晶粒A的原子分辨率HAADF-SEM图和对应的快速傅里叶变化图

（f）- （j）分别为图(e)红色矩形框内的镁、钆、钇、锌和锆元素分布图

图7 200°C下时效处理6小时的高压扭转试样显微组织

（a）TEM明场像以及对应的电子电子衍射样式

（b）TEM暗场像

（c）HAADF-STEM图

（d）图（c）的放大图

（e）-（i）分别为镁，钆，钇，锌和锆元素分布图

（j）HRTEM图

（k）图（j）中框A的FFT图

（l）图（j）中框B的FFT图

图8 试样的XRD图

（a）高压扭转变形及后续时效合金的XRD图

（b）XRD局部放大图

图9 不同时效条件下的硬度值

（a）不同时效条件下，不同强化机制对硬度的贡献分布图

（b）硬度计算值和实验值的比较

【小结】

主要研究结论如下：

（1）高压扭转形变Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金的最佳时效工艺为120°C/12h，时效温度和达到峰时效所需时间均远低于常规热变形镁稀土合金。本文最佳时效处理工艺得到的最高硬度为145HV，高于其他高压扭转变形镁合金及镁稀土合金的硬度值。

（2）常规微米级Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金的时效强化机制为亚稳β′纳米析出相强化，而纳米晶Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金的时效强化机制为晶界溶质偏聚。

（3）高压扭转变形引入的大量晶界及高密度位错，促进合金元素扩散，导致时效过程中，大量溶质原子偏聚于晶界。

（4）溶质原子晶界偏聚强化是纳米晶Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金的一种主要强化机制。进一步研究镁合金中的偏聚/团簇形成机理及其强化机制，利用偏聚/团簇进一步提高镁合金的强度和塑性，对超高强韧镁合金开发具有重要意义。

文献链接：Altered ageing behaviour of a nanostructured Mg-8.2Gd-3.8Y-1.0Zn-0.4Zr alloy processed by high pressure torsion (Acta Materialia, 2018, doi.org/10.1016/j.actamat.2018.04.003)。

本文由材料人编辑部金属组 杨树 供稿，材料牛编辑整理。

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