缺陷-溶质协同调控预变形镁合金时效过程中微观组织与力学性能的演化机制

本研究针对预变形镁合金在长期时效过程中亚稳态烘烤硬化动态演化机制不明的科学问题，通过系统研究Mg-0.6Al-0.7Ce-0.4Ca-0.4Mn合金在2%预应变后时效的微观组织演变，发现位错网络加速溶质扩散并诱导Ca/Al共偏聚形成热稳定纳米(Mg,Al)2Ca相，同时基体溶质形成高密度G.P.区并转化为纳米Al2Ca沉淀，揭示了缺陷-溶质协同作用介导的新型时效硬化范式，为开发高热稳定性低成本镁合金提供理论依据。

　　

镁合金作为最轻的金属结构材料，在航空航天和汽车工业中展现出巨大应用潜力。然而其强度-塑性倒置关系始终是制约产业化的瓶颈问题。近年来，通过预变形结合短时时效的"烘烤硬化"技术（Bake-hardening）在Mg-Al-Zn-Mn-Ca系合金中取得突破，2%预变形后20-30分钟时效即可通过Al/Zn/Ca溶质在位错处的共偏聚实现屈服强度提升。但这一强化效应的时效稳定性始终是未解之谜——在铝合金体系中，预变形诱导的位错会加速溶质扩散导致沉淀相粗化，最终引发性能衰退。那么镁合金是否会重蹈覆辙？预变形镁合金在长期时效过程中微观组织如何演化？这些演化又如何影响力学性能？来自河北工业大学的Lu Han团队在《Scripta Materialia》发表的研究给出了答案。

研究采用光学发射光谱、准原位电子背散射衍射（EBSD）、透射电镜（TEM）和三维原子探针断层扫描（3D APT）等技术，系统表征了2%预应变Mg-0.6Al-0.7Ce-0.4Ca-0.4Mn（AEXM1100）合金在180°C时效过程中微观组织演变。通过维氏硬度测试和室温拉伸实验评估力学性能，结合高角环形暗场扫描透射电镜（HAADF-STEM）和能量色散谱（EDS）分析溶质分布。

时效硬化响应

预应变样品时效0.5小时后硬度从41 HV升至48 HV，20小时达到峰值58 HV后进入平台期。对应的屈服强度从初始137 MPa逐步提升至239 MPa，时效硬化增量达72 MPa，且延伸率始终保持在9.4%以上。

位错介导的溶质重分布

准原位EBSD证实2%预变形主要通过位错滑移实现。时效初期（0.5小时），HAADF-STEM显示Ca（原子半径差23%）和Al（11%）共偏聚到位错核，形成弹性应变能最低的构型，产生30 MPa强化效应。这种溶质钉扎效应在拉伸曲线上表现为明显的屈服降落现象。

异质沉淀与G.P.区形成

5小时时效后，APT揭示位错线上形成珍珠项链状排列的C36型(Mg,Al)₂Ca Laves相（直径20 nm），其Ca/Al质量比达6.6（远超基体0.7）。同时基体中涌现原子层间距0.47 nm的Al-Ca G.P.区，密度达3.51×10²³ m^-3。此时屈服强度提升至221 MPa，强化机制转变为沉淀强化与溶质钉扎的协同作用。

纳米沉淀的热稳定性

20小时时效后，(Mg,Al)₂Ca相仍保持20 nm尺寸，而G.P.区转变为3.4 nm的Al₂Ca纳米沉淀，密度维持在3.80×10²³ m^-3。定量计算表明Al₂Ca沉淀贡献47 MPa强度增量，完美补偿了溶质钉扎效应的减弱。

该研究首次揭示了预变形镁合金时效过程中"溶质钉扎→异相沉淀→纳米析出"的三阶段强化机制。特别重要的是，位错网络不仅作为快速扩散通道，更通过调控局部Ca/Al比诱导形成热稳定的C36-(Mg,Al)₂Ca相；而基体溶质通过G.P.区→Al₂Ca的连续转变维持高密度纳米沉淀。这种缺陷-溶质协同作用突破了传统认知中预变形加速性能退化的桎梏，为设计长寿命镁合金构件提供了全新思路——通过精确控制Ca/Al比和预变形量，可实现"自稳定"的强化结构，这对推动镁合金在高温环境下的工程应用具有里程碑意义。