镁合金中不连续长周期堆垛有序结构诱导锯齿状孪晶界面的原子尺度机制研究

本研究针对Mg-Gd-Zn合金中长周期堆垛有序(LPSO)结构与变形孪晶交互作用的原子机制难题，通过HAADF-STEM技术揭示了不连续LPSO(d-LPSO)通过形成Zn富集位错和堆垛缺陷(SFs)钉扎基面-棱柱面(BP)界面，导致锯齿状{101ˉ2}孪晶界形成，为设计高强韧镁合金提供了新思路。

　　

镁合金因其优异的比强度在航空航天和交通领域备受青睐，但室温塑性差一直是制约其应用的瓶颈。长周期堆垛有序结构(LPSO)作为镁合金中的关键强化相，虽能提升强度，但其与变形孪晶的交互机制尚不明确。特别是近年来发现的锯齿状孪晶界现象，虽在多篇文献中被报道，其形成机理却始终笼罩在原子尺度的迷雾中。北京工业大学韩晓东团队在《Scripta Materialia》发表的这项研究，犹如一把解谜的钥匙，首次揭示了不连续LPSO(d-LPSO)诱导锯齿状孪晶界的动态过程。

研究人员采用Mg₉₇Gd₂Zn₁合金，通过室温轧制和球差校正透射电镜(TEM)技术，结合高角环形暗场扫描透射电镜(HAADF-STEM)进行原子尺度表征。实验样本来源于高频感应熔炼制备的铸锭，经803K固溶处理和10%室温轧制后制备TEM样品。

不连续LPSO结构的发现

研究首次在变形合金中观察到空间分布随机、长度约100-200nm的d-LPSO结构（图2）。与传统连续LPSO不同，这些AB'C'A堆垛序列的结构呈现"碎片化"特征，HAADF线扫证实其元素分布不连续（图2d）。有趣的是，这种结构在退火后会演变为连续LPSO，暗示其可能是有序化过程的中间态。

锯齿状孪晶界的形成机制

原子尺度观察发现（图3），d-LPSO通过三重作用导致孪晶界锯齿化：(1)孪晶绕过d-LPSO形成4°偏转的BP界面，界面处产生6.5%晶格失配，诱发周期性Zn富集位错（图3b）；(2)基体位错与孪晶界反应发射1/6<20²ˉ3>弗兰克不全位错，在孪晶域形成堆垛缺陷(SFs)（图3c）；(3)矩阵与孪晶晶格重叠形成环形原子图案（图3d），产生额外能量壁垒。这三者协同作用，如同三道"闸门"锁定了BP界面。

尺寸效应的定量验证

统计数据显示（图4），d-LPSO间距决定锯齿形态：>100nm间距产生大幅曲折，而～50nm间距仅引起小幅波动。特别值得注意的是，相比传统LPSO，d-LPSO形成的BP界面更长但阻碍效率更低，这解释了为何含d-LPSO合金在保持强度的同时展现更优塑性（附图S3）。

这项研究不仅阐明了锯齿状孪晶界的形成机制，更提出了"缺陷工程"新思路——通过调控d-LPSO的空间分布可实现强度-塑性的协同优化。正如通讯作者韩晓东教授指出，该发现为理解Mg-RE-TM合金中LPSO-孪晶交互作用提供了原子尺度蓝图，对开发新一代高成形性镁合金具有重要指导意义。