稀镁合金Mg-Zn-Nd-Ca中钉扎孪晶界与吉尼尔-普雷斯顿区协同提升强塑性的机制研究

针对商用变形镁合金屈服强度低、塑性受限的瓶颈问题，本研究通过预应变与热处理调控稀镁合金Mg-0.6Zn-0.4Nd-0.2Ca中溶质原子在孪晶界(TB)的偏聚行为及纳米相演变，发现Zn/Nd共偏聚与Ca独立偏聚形成(Mg,Zn)3 Nd和Mg2 Ca纳米沉淀，同时在堆垛 faults(SFs)处形成高密度单层G.P.区。该设计使屈服强度提升141%，并保持良好塑性，为开发高性能镁合金提供了新策略。

　　

镁合金作为绿色轻质结构材料，在航空航天和汽车领域具有广阔应用前景，但其室温下低屈服强度和有限塑性的矛盾长期制约实际应用。传统Mg-Zn-RE系合金虽通过稀土(RE)微合金化弱化基面织构提高塑性，但屈服强度普遍低于100 MPa，主要归因于非基面织构促进基面滑移，以及低溶质含量导致的固溶/弥散强化不足。如何协同提升镁合金的强度与塑性，成为材料领域亟待突破的科学难题。

针对这一挑战，中国的研究团队创新性地设计出稀四元Mg-0.6Zn-0.4Nd-0.2Ca(wt.%)合金，通过预应变与热处理耦合调控{10-12}拉伸孪晶界(TB)的溶质偏聚行为和纳米相演变。研究发现，Zn/Nd倾向于在孪晶界共偏聚，而Ca呈现不连续单独偏聚，形成5-20 nm的(Mg,Zn)₃
Nd和Mg₂
Ca纳米沉淀。更关键的是，Zn与Nd优先在堆垛 faults(SFs)处结合形成高密度单层吉尼尔-普雷斯顿(G.P.)区。这种独特的微观结构使经6%预应变和200℃×8 h热处理的试样(S#P6-A8)屈服强度达141 MPa，较初始状态提升141%，同时保持31.68%的压缩应变，实现了强塑性协同提升。该成果发表于《Journal of Magnesium and Alloys》，为开发高性能镁合金提供了新思路。

研究采用电子背散射衍射(EBSD)分析晶体取向，扫描透射电镜(STEM)结合能谱(EDS)表征纳米相分布，分子动力学(MD)模拟孪晶界原子构型，并通过几何相容因子(m′)和Schmid因子(SF)定量评估滑移系激活特性。

3.1 力学性能
预应变4%+8 h热处理的试样(S#P4-A8)屈服强度达117 MPa，较初始状态提升98%。当预应变增至6%时(S#P6-A8)，屈服强度进一步提升至141 MPa，且所有试样压缩应变均超过30%，证明该方法可协同优化强塑性。

3.2 孪晶特征
EBSD显示预应变引入平行{10-12}孪晶片层，6%预应变后孪晶体积分数达18.95%。MTEX分析表明孪晶界比例随预应变增加从52.8%降至43.7%，但孪晶激活率从35.06%升至44.15%。

3.3 溶质偏聚与沉淀
HAADF-STEM揭示热处理后Zn/Nd在孪晶界共偏聚，Ca单独偏聚。BF-STEM观察到孪晶界优先析出(Mg,Zn)₃
Nd(5-19 nm)和Mg₂
Ca纳米相，成分分析显示Zn在孪晶界浓度显著高于基体。

3.4 G.P.区特性
在[11-20]_α-Mg
取向下观察到两类G.P.区：5-10 nm的针状单层区和100-200 nm的连接区。HAADF-STEM显示Zn/Nd在基面单原子层偏聚，衍射斑点沿c轴呈现明显条纹，表明与基体完全共格。

4.1 孪晶诱导塑性响应
几何相容因子分析表明孪晶界处基面〈a〉滑移的m′值(0.15)显著低于晶界(0.4)，而锥面〈c+a〉滑移在孪晶中的SF值(0.39)高于基体(0.34)。滑移迹线统计显示S#P6-A8中〈c+a〉滑移占比达48%，远高于S#P2.5-A8(18%)，证实孪晶促进非基面滑移激活。

4.2 多元素偏聚热力学
MD模拟结合Langmuir-McLean模型计算表明，Nd的偏聚能(E_Seg
=-0.52 eV)低于Ca(-0.43 eV)，且Zn/Nd电负性差(0.51)大于Mg/Nd(0.17)，驱动二者协同偏聚。孪晶界张压应变交替的原子位置为不同尺寸溶质提供择优偏聚位点。

4.3 堆垛 faults与G.P.区关联
Nd使I₁
层错能降至负值，促进预变形形成高密度SFs。DF-STEM证实SFs作为G.P.区形核点，Zn/Nd偏聚进一步降低层错能，形成有序单层G.P.区。

4.4 强塑化机制
溶质偏聚通过公式Δτ_f
^sol
=Z_F
G√(|δ|+β|η|)³
√c提高孪晶运动摩擦应力，纳米沉淀通过Orowan机制(Δτ_f
^pre
=Gb/2π√1-v·1/λ·ln(D_p
/r_o
))阻碍位错运动。同时，被钉扎的孪晶界通过转化基面位错为〈c+a〉位错提升塑性。

该研究创新性地通过多元素协同偏聚策略，在稀镁合金中同时实现孪晶界钉扎和G.P.区强化。相比传统AZ31合金(σ_ys
=87 MPa，ε=18%)，本工作获得的强度(141 MPa)和塑性(32%)组合显著提升。分子尺度揭示的Zn/Nd-Ca偏聚竞争机制，以及孪晶界与层错协同调控非基面滑移的规律，为设计新型高强韧镁合金提供了理论依据。特别值得注意的是，这种基于微量合金化(总含量<1.2 wt.%)的低成本方案，具有重要的工业应用价值，有望推动镁合金在轻量化结构件中的大规模应用。