通过层状γ'相调控显微组织提升挤压态Mg-9Gd-4Y-1Zn-0.5Zr合金断裂韧性的机制研究

本研究通过调控均质化冷却工艺，在Mg-9Gd-4Y-1Zn-0.5Zr合金中构建层状γ'相分布，实现抗拉强度与断裂韧性同步提升。相比含块状长周期堆垛有序(LPSO)相合金，γ'相使断裂韧性达29.7 MPa·m1/2并提升27%，其增韧机制源于垂直主裂纹面的微裂纹分层效应与裂纹偏转。该成果为镁合金强韧化设计提供新思路。

　　

镁合金作为最轻的金属结构材料，在新能源汽车、航空航天等领域展现出巨大应用潜力。然而，传统镁合金存在强度与韧性难以兼得的"阿喀琉斯之踵"——高强度的获得往往以牺牲断裂韧性为代价，这严重制约了其作为承力部件的可靠性。特别是在含稀土(RE)和锌的镁合金中，长周期堆垛有序(LPSO)相虽能提升强度，但过量块状LPSO相反而会导致韧性骤降。如何破解这一"强度-韧性"倒置难题，成为镁合金研发的关键瓶颈。

湖南大学机械与运载工程学院的研究团队独辟蹊径，通过精准调控热处理工艺，在Mg-9Gd-4Y-1Zn-0.5Zr合金中构建出独特的层状γ'相分布网络。这种纳米级析出相犹如给合金植入了"生物骨板结构"，使材料在保持高强度的同时，断裂韧性显著提升至29.7 MPa·m^1/2，较传统含块状LPSO相合金提高27%。这项突破性成果发表在《Journal of Magnesium and Alloys》上，为开发高损伤容限镁合金提供了全新范式。

研究人员采用水淬(QE)和炉冷(FE)两种冷却速率调控相组成，结合热挤压工艺制备对比样品。通过X射线断层扫描(XCT)三维重构裂纹路径，结合电子背散射衍射(EBSD)和透射电镜(TEM)解析微观变形机制。创新性地采用共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)定量表征拉伸区高度，精确计算平面应变断裂韧性K_IC。

显微组织演变方面，炉冷处理的FE样品中，层状γ'相贯穿晶粒内部，体积分数达42%，动态再结晶(DRX)晶粒尺寸仅1.9 μm；而水淬处理的QE样品以块状LPSO相为主，DRX晶粒尺寸达2.8 μm。γ'相通过抑制孪晶扩展和促进位错积累，形成更均匀的变形组织。

力学性能测试显示，FE样品展现优异的强韧协同：屈服强度(YS)达312 MPa，断裂韧性29.7 MPa·m^1/2，较QE样品(YS 283 MPa，K_IC 23.4 MPa·m^1/2)显著提升。三维断层扫描揭示，FE样品中裂纹路径曲折度是QE样品的1.6倍，且伴随大量沿γ'相界面分布的椭球状微孔洞(平均尺寸23.9 μm)，有效耗散断裂能。

变形机制研究表明，γ'相通过三重增韧机制发挥作用：(1)分层增韧：垂直主裂纹的γ'相界面诱发微裂纹，消耗σ₁方向应变能；(2)裂纹偏转：γ'相与基体模量差异导致裂纹路径曲折，延长扩展路径；(3)相界钝化：γ'相kinking(扭折)行为(4.8°-5.6°)缓解局部应力集中。相比之下，QE样品中块状LPSO相反而成为裂纹快速扩展通道。

该研究突破性地证实，通过热处理工艺调控γ'相形貌与分布，可协同提升镁合金的强度和断裂韧性。特别是提出的"分层增韧"机制，为开发新型高损伤容限镁合金提供了理论依据。研究成果对推动镁合金在关键承力部件中的应用具有重要工程价值，其相界面设计思路也可拓展至其他金属材料体系。未来通过优化γ'相空间排布与体积分数，有望进一步突破镁合金的强韧化极限。