Al2Y相对Mg-Al-Y合金微观结构和变形行为的影响：基于FIB-DIC技术的洞察

《Journal of Magnesium and Alloys》：Effect of Al 2Y phase on microstructure and deformation behavior of Mg-Al-Y Alloys: Insights from FIB-DIC technique

Al?Y相含量对Mg-Al-Y合金微观变形行为及力学性能的影响研究。通过机械搅拌铸造和热挤压制备了四种不同Al?Y相体积分数的合金，利用FIB-DIC技术分析发现，Al?Y相体积分数增加导致合金强度、弹性模量提升（最高52.1 GPa），但延伸率下降（最低4.2%）。Mg-9Al-17Y合金实现最佳综合性能（屈服强度202.4 MPa，延伸率7%）。研究揭示了Al?Y相通过CTE强化主导强度提升，界面应变集中和晶界滑移对变形行为的影响，以及相尺寸和分布对塑性变形的调控作用。

　　镁合金作为最轻的金属结构材料，因其优异的比强度和比刚度在汽车和航空航天领域广泛应用。然而，这些合金在常温下的强度、刚度和延展性仍存在不足，限制了其进一步应用。为了解决这一问题，研究者们通过引入强化相或第二相来改善镁合金的力学性能。其中，Al?Y相因其高硬度和高模量，被认为是一种有效的强化手段。然而，Al?Y相的引入也导致了延展性的下降，这使得如何在提升强度和刚度的同时保持良好的延展性成为研究的重点。

本研究通过机械搅拌铸造和热挤压工艺，制备了四种不同Al?Y相体积分数的Mg-Al-Y合金，分别为Mg-3Al-5Y、Mg-6Al-11Y、Mg-9Al-17Y和Mg-11Al-21Y（重量百分比）。研究重点在于分析Al?Y相对合金微观结构和变形行为的影响，并结合聚焦离子束-数字图像相关（FIB-DIC）技术，对合金的微观应变分布进行定量测量。研究结果表明，随着Al?Y相体积分数的增加，合金的强度和刚度持续提升，而延展性则逐渐下降。其中，Mg-9Al-17Y合金在强度、刚度和延展性之间实现了最佳平衡，展现出202.4 MPa的屈服强度、51.5 GPa的杨氏模量和7%的延展性，这表明该合金具有较高的综合性能。

研究发现，Al?Y相的增强作用主要源于热膨胀系数（CTE）强化机制。当Al?Y相的体积分数增加时，其与镁基体之间的热膨胀差异导致大量位错在相界面积累，从而提升了合金的强度。此外，Al?Y相的高模量特性也对杨氏模量的提升起到关键作用，其变化趋势与Reuss模型的预测结果更为一致，这表明该模型在评估合金模量时具有较高的适用性。同时，Al?Y相的引入还通过晶粒细化机制，有效降低了合金的晶粒尺寸，进一步提升了其力学性能。然而，随着Al?Y相体积分数的增加，晶粒尺寸的减少幅度有限，因此，晶粒细化对强度的提升贡献较小。

在变形过程中，Al?Y相的存在对局部应变集中有显著影响。FIB-DIC技术的应用揭示了应变在Al?Y/Mg基体界面和晶界处的集中现象。这些区域的应变兼容性受到相邻晶粒取向和相界面不匹配的影响。研究还发现，Al?Y相的尺寸、分散度和分布方式在应变适应过程中起到了重要作用。具体而言，当Al?Y相尺寸较大时，应变集中现象更为明显，而提高Al?Y相的分散度和减小其尺寸（尤其是小于11 μm时）则有助于降低应变集中程度，从而改善合金的延展性。此外，研究还发现，当相邻晶粒的滑移系强度（SF）相近时，界面不匹配程度越低，应变集中现象越轻微，这表明界面匹配性在应变释放过程中具有重要作用。

本研究进一步探讨了晶粒取向和晶界对变形行为的影响。在Mg-9Al-17Y合金中，某些晶粒表现出较高的滑移系强度，而其周围的晶界则成为应变集中区域。研究还引入了m’这一概念，用于评估晶粒间的应变兼容性，并提出了更精细的m?指标，该指标综合考虑了滑移系强度和晶界滑移等因素。结果显示，晶粒间较高的m?值有助于释放局部应变集中，表明晶界在协调相邻晶粒变形中发挥着关键作用。此外，Al?Y相界面的应变集中现象也受到相邻晶粒滑移系强度和界面匹配度的影响。当界面匹配度较高且滑移系强度相近时，应变集中现象较弱，这表明界面匹配度和晶粒滑移系的协调性对合金的变形行为具有重要影响。

为了进一步优化镁合金的性能，研究还探讨了Al?Y相的尺寸和分散度对变形行为的影响。通过统计分析发现，当Al?Y相尺寸超过11 μm时，应变集中程度显著增加，而较小的相尺寸则有助于降低应变集中。此外，提高Al?Y相的分散度能够有效改善合金的应变适应能力，从而提升其延展性。这表明，在制备高性能镁合金时，除了控制Al?Y相的体积分数外，还需要关注其尺寸和分散度，以实现强度、刚度和延展性的平衡。

综上所述，本研究通过实验和理论分析，揭示了Al?Y相在镁合金中的强化机制及其对微观变形行为的影响。研究结果表明，Al?Y相的引入能够显著提升合金的强度和刚度，但会牺牲一定的延展性。通过合理控制Al?Y相的体积分数、尺寸和分散度，可以有效优化合金的综合性能。其中，Mg-9Al-17Y合金在强度、刚度和延展性之间达到了最佳平衡，为未来开发高性能镁合金提供了重要的理论依据和技术支持。此外，研究还强调了晶界和相界面在协调变形过程中的关键作用，以及界面匹配度和晶粒滑移系的协调性对应变释放的影响。这些发现为镁合金的设计和制备提供了新的思路，有助于进一步推动镁合金在高性能结构材料领域的应用。