镁合金剧烈塑性变形中的动态再结晶与强化机制：Ag元素添加对Mg-Gd-Y合金微观结构演变与力学性能的影响研究

《Journal of Magnesium and Alloys》：Dynamic recrystallization and strengthening mechanisms in a magnesium alloy processed by severe plastic deformation

为解决镁合金热加工中动态再结晶（DRX）机制不明确的问题，研究人员通过简单剪切挤压（SSE）技术处理Mg-Gd-Y-Ag合金，结合EBSD和TEM分析，揭示了连续动态再结晶（CDRX）与不连续动态再结晶（DDRX）的协同作用机制，发现纳米级Mg5Gd和β?相沉淀强化效应，显著提升合金剪切强度，为高性能镁合金设计提供新思路。

　　

镁合金作为最轻的金属结构材料，在航空航天、汽车工业等领域具有广阔应用前景，但其室温成形性和强度不足仍是制约其大规模应用的关键瓶颈。热机械加工过程中动态再结晶（DRX）行为可有效细化晶粒并改善性能，然而关于稀土元素（如Gd、Y）和Ag添加对镁合金DRX机制与强化效应的系统研究仍较缺乏。为此，伊朗德黑兰大学的Alireza Rezaei、Reza Mahmudi与瑞士洛桑联邦理工学院的Roland E. Logé合作，在《Journal of Magnesium and Alloys》发表研究，通过简单剪切挤压（SSE）技术处理Mg-6Gd-3Y-1.5Ag合金，揭示了多阶段DRX行为与纳米沉淀协同强化机制。

研究采用SSE工艺在280°C下对挤压态合金进行1–6道次加工，通过电子背散射衍射（EBSD）和透射电镜（TEM）分析微观结构演变，并结合剪切冲压试验（SPT）评估力学性能。关键技术包括：利用SSE实现渐进式剪切应变（最大等效应变1.15/道次）；EBSD结合晶粒取向展布（GOS）和核平均误取向（KAM）量化再结晶分数与位错密度；TEM识别纳米沉淀相结构与成分；SPT测定剪切强度并与微观结构参数关联。

3.1. 初始微观结构

挤压态合金呈现等轴晶结构（平均晶粒尺寸7.6 μm），再结晶分数达94.5%，含Mg₂Gd立方体颗粒与晶界分布的Mg₅Gd细颗粒。

3.2. 剧烈塑性变形后的微观特征与晶粒细化

早期变形阶段（1–2道次）以动态回复（DRV）为主，形成大量低角晶界（LAGBs），再结晶分数仅1.5–12.7%。随着应变增加（4–6道次），连续动态再结晶（CDRX）主导，形成“晶界型”（GB-type）和“核心型”（Core-type）再结晶晶粒，再结晶分数升至54.5–82%，高角晶界（HAGBs）分数同步增加。亚晶界密度在2道次达到峰值后下降，表明DRX消耗位错结构。

3.3. 剧烈剪切应变后的动态再结晶行为

EBSD高分辨率分析显示，CDRX通过位错重组与亚晶界转变成HAGBs实现。变形后期（6道次），不连续动态再结晶（DDRX）通过应变诱导晶界迁移（SIBM）激活，形成均匀细晶结构（平均DRX晶粒尺寸1.5 μm）。

3.4. TEM观察

TEM证实DRX区域形成球状Mg₅Gd型纳米颗粒（FCC结构，含Ag），而非DRX区域出现板状β?相纳米沉淀（BCO结构）。动态沉淀与位错相互作用促进强化。

3.5. 剧烈塑性变形后的织构发展

(0001)极图显示，随SSE道次增加，基面织构从多极点的“Type-I”（基面平行剪切面，c轴沿ND）发展为“Type-II”（基面平行ED，c轴沿TD），后者由工件90°旋转导致。织构强度随DRX进展而减弱。

3.6. 强化机制

SPT结果表明剪切强度随SSE道次增加而提升（6道次SYS达178 MPa，较挤压态提高50%）。强化贡献源于：LAGBs与位错强化（早期阶段）、Hall-Petch晶界强化（后期细晶）、Orowan机制驱动的纳米沉淀硬化（Mg₅Gd与β?相），以及Gd/Y固溶强化。理论计算与实验值吻合，但织构软化效应导致实际强度低于理论预测。

该研究系统阐明了Mg-Gd-Y-Ag合金在SSE过程中的DRX机制与强化路径，证实CDRX与DDRX的协同作用及纳米沉淀的关键贡献。通过调控应变路径与道次，可实现晶粒细化与织构优化，为开发高强度镁合金提供理论依据和工艺指导。Ag元素的添加不仅促进纳米沉淀稳定性，还通过协同 segregation 效应增强强化效率，凸显多组元合金设计在先进镁开发中的重要性。