元素偏聚辅助孪晶界钉扎实现取向异构Mg-Y合金的强塑性协同提升

为解决镁合金强度-塑性倒置难题，研究人员通过三轴循环压缩（TCC）结合低温退火构建取向异构Mg-2.9Y合金，利用Y原子在孪晶界偏聚产生钉扎效应，实现硬域强化和异质变形诱导（HDI）硬化，最终获得屈服强度285 MPa、均匀延伸率14.5%的优异性能，为轻量化结构材料设计提供新思路。

　　

镁合金作为最轻的金属结构材料，在航空航天和交通领域具有巨大应用潜力，但其六方密排（HCP）晶体结构的低对称性导致室温可开动滑移系有限，普遍存在强度低、塑性差、冷成形性不足等瓶颈问题。传统强化手段如固溶强化、细晶强化等往往以牺牲塑性为代价，而"异构结构"设计通过构建软硬域交替的微观组织，利用异质变形诱导（HDI）应力可突破这一矛盾。然而，镁合金强烈的各向异性和低再结晶温度使得传统热机械加工难以构建有效异构结构，且现有研究多集中于形态/尺寸异构，基于晶粒取向分布的异构设计鲜有报道。

针对这一挑战，东北大学的研究团队创新性地采用三轴循环压缩（TCC）结合低温退火工艺，在Mg-2.9Y合金中成功构建了四种取向异构材料。通过单道次应变10%的五次完整TCC循环（沿A、B、C三平面）及后续A面附加压缩，分别获得硬取向（10%-5 cycles）和软取向（10%-5 cycles+A）材料，再经200°C/1h退火处理后得到强化版本。这种工艺在保留原始晶粒取向的同时，形成了粗晶基体中嵌有细晶/孪晶的 bimodal 结构，等效真应变达1.07（相当于65.7%轧制减薄率），远超常规镁合金加工极限。相关成果发表在《Journal of Materials Science》上。

研究团队运用电子背散射衍射（EBSD）、透射电镜（TEM）和晶体塑性有限元（CPFE）模拟等技术，系统分析了微观组织演变与力学性能关联。EBSD显示硬取向材料主要保持<0002>⊥ED织构成分，而软取向材料因附加A面压缩形成<0002>//ED织构。TEM观察到退火后Y原子在密集孪晶界发生周期性偏聚，产生显著的钉扎效应。CPFE模拟揭示了软硬域间变形不相容性导致的几何必需位错（GNDs）在界面累积机制。

材料制备
采用挤压退火态Mg-2.9Y合金（平均晶粒60μm），通过定制模具实现三轴压缩路径控制。Y元素的添加降低了层错能，促进位错开动，同时弱化变形基底织构。

力学行为
硬取向10%-5 cycles材料屈服强度达260MPa但均匀延伸仅8.0%，而软取向10%-5 cycles+A材料屈服强度185MPa、延伸率13.6%。退火后两类材料屈服强度分别提升至285MPa和215MPa，且10%-5 cycles+A-200°C/1h材料展现出最优强塑性匹配（UTS 320MPa，均匀延伸14.5%）。原位EBSD证实高应变下Y原子钉扎效应减弱，{10^1ˉ2}孪生被激活。

取向异构体的微机械行为
硬域中Y偏聚使临界分切应力（CRSS）提升50%，显著增大软硬域变形不相容性。GNDs在孪晶界处大量累积产生HDI应力（达135MPa），而软取向材料中<0002>//ED织构促进非基底滑移系开动，提供持续HDI硬化。

结论与意义
该研究首次通过TCC路径控制实现镁合金取向异构设计，发现Y原子偏聚对孪晶界的钉扎效应可同时强化硬域和增加应变梯度。软取向材料中织构调控诱发的多滑移系开动与孪生协调变形，突破了HCP金属强度-塑性倒置的固有局限。这种将取向异构与溶质原子协同强化的策略，为开发高性能轻合金提供了全新范式，其揭示的HDI强化机制对广义异构材料设计具有重要指导价值。