通过定制双峰晶粒结构，在低温下同时提高镁合金的强度和延展性

《Journal of Magnesium and Alloys》：Tailoring bimodal grain structure to achieve simultaneous improvement of strength and ductility in magnesium alloys at cryogenic temperatures

镁合金低温脆性通过双模态晶粒结构优化得到缓解，研究通过挤压制备不同DRX区域占比的Mg-3.6Y合金，结合原位EBSD、DIC和TEM分析发现，DRX区域占比50%的F50-S9.8合金在-196℃下实现强度提升1.6倍且塑性仅下降1%。机理包括未再结晶晶粒的位错强化、再结晶晶粒的晶界强化，以及低温下激活的非基面滑移和孪生行为促进应变协调，有效缓解了应变局部化。

　　镁合金在低温下的冷脆性一直是其在航空航天等极端环境应用中的主要障碍之一。随着对高性能材料需求的不断增长，研究人员对镁合金的低温性能进行了深入研究，并尝试通过不同的合金设计和微结构优化来改善其在低温下的强度-延展性平衡。本文聚焦于一种含有约50%动态再结晶（DRX）区域的镁-3.6%钇（Mg-3.6Y）合金，研究其在低温下的性能提升机制。结果表明，这种双模态晶粒结构在低温下显著提高了材料的强度，同时仅略微降低了延展性，从而实现了优异的强度-延展性协同效应。

镁合金作为最轻的结构金属材料，因其轻质、高强度等特性，广泛应用于航空航天领域。然而，在低温条件下，镁合金的强度虽然增加，但延展性显著下降，这种现象限制了其在低温环境下的应用。为了克服这一问题，研究者们尝试通过添加稀土元素，如钇（Y）和钆（Gd），来改善镁合金的低温性能。其中，钇在改善低温延展性方面表现出更显著的优势。例如，在相同条件下，Mg-1.4% Gd合金的延展性从16.5%骤降至5.0%，而Mg-1.1% Y合金的延展性仅从16.5%下降到8.5%。这表明，通过添加钇可以有效减弱基面织构，促进非基面滑移的活动性，从而改善镁合金的低温性能。

然而，即便通过合金化手段提高了镁合金的低温性能，其在低温下的延展性仍然显著低于室温。这表明，单靠合金化并不足以实现理想的低温性能提升，必须结合微结构优化。研究者们提出了多种微结构优化策略，如晶粒细化和第二相析出。其中，晶粒细化虽然在某些情况下可以提高低温延展性，但在其他合金体系中效果有限。例如，AZ31合金在晶粒细化后，其低温延展性并未显著提高，这表明晶粒细化对镁合金的低温性能提升作用有限。而第二相析出则通过奥罗万机制增强材料的强度，但也会导致局部应力集中，增加材料断裂的风险。因此，为了实现更优的低温性能，必须探索新的微结构设计策略。

近年来，一种被称为异质结构的新微结构优化策略被提出，用于改善多种金属和合金在室温下的强度-延展性平衡。异质结构通过平滑塑性流动的不均匀性，防止或延缓颈缩和裂纹的形成，同时通过软硬区域之间的机械不相容性，在界面处产生局部应变梯度和几何必要位错（GND）的积累，从而增强异变变形诱导（HDI）强化效应。这一策略已被证明在低温环境下尤为有效，如多主元合金（MPE）、高锰钢和纯钛等材料中均表现出良好的低温性能。因此，研究镁合金中的双模态晶粒结构在低温下的作用，对于开发适用于低温环境的高性能镁合金具有重要意义。

在本研究中，通过挤压工艺制备了不同DRX区域比例的Mg-3.6Y合金，并对其在室温和低温下的力学性能和变形机制进行了系统分析。研究结果表明，DRX区域比例约为50%的F50-S9.8样品在低温下表现出优异的强度-延展性协同效应。具体而言，该样品的屈服强度（TYS）在低温下提高了1.6倍，而断裂延伸率仅减少了1%，相较于室温而言，这种性能变化更为显著。这表明，双模态晶粒结构在低温环境下具有显著的增强作用。

为了进一步理解这种增强机制，研究者们通过载荷-卸载-再加载（LUR）测试分析了HDI应力的演变。结果显示，所有样品的HDI应力在变形过程中均呈上升趋势，并且在低温下比室温下更为显著。这表明，在低温环境下，HDI强化效应更为突出，从而提高了材料的强度。此外，通过电子背散射衍射（EBSD）和数字图像相关（DIC）技术，研究者们观察到在变形过程中，DRX区域和未DRX区域的晶粒取向发生了变化，且DRX区域的取向变化更加明显。这表明，DRX区域在低温下的塑性变形能力更强，能够有效缓解应变集中，从而提高材料的延展性。

进一步分析表明，低温下DRX区域的晶界强化作用更为显著，这主要得益于其细小的晶粒尺寸。同时，非基面滑移系统的激活，如棱柱〈a〉滑移和锥面I〈c+a〉滑移，也对低温下的塑性变形起到关键作用。此外，低温下异常的锥面滑移活动进一步提高了材料的延展性，减少了断裂延伸率的下降幅度。这种现象表明，低温环境下，DRX区域和未DRX区域之间的相互作用对材料性能具有重要影响。

为了进一步验证这些发现，研究者们还通过透射电子显微镜（TEM）分析了F50-S9.8样品在室温和低温下的位错行为。结果显示，低温下位错的稳定性更高，这有助于其在锥面滑移中的活动性，从而提高材料的延展性。同时，研究还发现，在低温下，锥面I〈c+a〉位错的CRSS（临界分切应力）显著降低，使得这些位错更容易被激活，进而促进材料的塑性变形。

在应变分区方面，研究发现双模态晶粒结构在低温下能够有效缓解应变集中。通过高斯函数拟合应变峰值，研究者们提取了应变分区的宽度和高度作为评估指标。结果显示，低温下应变分区更宽，且位错密度显著增加，表明低温环境下HDI强化效应更为显著。此外，晶界强化和位错强化的协同作用进一步提高了材料的强度。

综上所述，本研究通过系统的实验分析，揭示了双模态晶粒结构在改善镁合金低温性能方面的潜力。F50-S9.8样品在低温下表现出优异的强度-延展性协同效应，这主要得益于DRX区域和未DRX区域之间的相互作用。DRX区域通过晶界强化和位错强化机制提高了强度，而未DRX区域通过促进非基面滑移和孪生机制提高了延展性。此外，低温下应变分区的扩展和GND的积累进一步增强了HDI强化效应，从而实现了材料性能的显著提升。

这一研究结果为未来开发适用于低温环境的高性能镁合金提供了重要的理论依据和技术支持。通过合理设计双模态晶粒结构，可以有效克服镁合金在低温下的冷脆性问题，提高其在极端环境下的综合性能。这不仅有助于拓展镁合金的应用领域，还为其他金属材料的低温性能优化提供了新的思路和方法。