Sn含量梯度调控挤压态Mg-Sn合金的力学强化机制：从微观组织演化到多尺度变形行为

这篇研究通过系统调控Sn含量（0.5-8 wt%），结合X射线衍射（XRD）、电子背散射衍射（EBSD）等表征技术与价电子理论（VE），揭示了挤压态Mg-Sn合金中Mg2Sn相分布、动态再结晶（DRX）行为与变形模式的协同作用机制。研究发现8% Sn合金通过晶粒细化（19 μm）和强织构效应（极密度12.81）实现最优强度-塑性平衡（UTS 236 MPa，延伸率16.3%），为开发高性能无稀土镁合金提供理论依据。

　　

1 引言
镁合金因其卓越的比强度和阻尼性能在航空航天领域具有重要应用潜力，但绝对强度不足和室温塑性差等瓶颈制约其发展。针对稀土元素成本高的问题，Mg-Sn体系凭借高温稳定性、显著固溶强化效应和成本优势成为研究热点。本研究通过热挤压工艺结合多尺度表征，阐明Sn含量对微观组织与力学性能的调控规律。

2 实验方法
采用工业纯Mg（99.9 wt%）和Sn（99.9 wt%）制备Mg-xSn（x=0.5-8 wt%）合金，经400°C/12h均匀化处理后进行反向挤压（300°C，挤压比14:1）。通过XRD、扫描电镜（SEM）和EBSD分析微观组织，结合价电子理论计算界面能，并利用Shimadzu AG-X电子万能试验机测试室温拉伸性能。

3 实验结果
3.1 微观组织
XRD显示Sn含量≥4 wt%时Mg₂Sn相衍射峰显著增强。价电子理论计算表明Mg-Sn键结合能（3959.76726 kJ/(nm²·mol)）远高于α-Mg基体（18821.87029 kJ/(nm²·mol)），其立方反萤石结构中sp³杂化轨道形成强共价键。SEM观测显示低Sn合金（≤4 wt%）中Mg₂Sn相呈流线型分布（尺寸0.85-0.97 μm），而高Sn合金（≥6 wt%）出现半网状粗化。

EBSD分析揭示动态再结晶（DRX）程度随Sn含量呈"先降后升"趋势：2-4 wt%时Sn溶质拖曳效应抑制再结晶，6-8 wt%时堆垛层错能改变促进再结晶。Schmid因子（SF）计算表明，随Sn含量增加，基面滑移SF值从0.221降至0.181，而柱面滑移SF升至0.449，导致变形机制从基面滑移主导转变为孪生与非基面滑移协同。

3.2 拉伸性能
Mg-8Sn合金展现最优强度（屈服强度YS 236 MPa），其强化贡献主要来自晶界强化（45-61%）、织构强化（~31%）和第二相强化（14.5-23%）。断裂形貌分析显示低Sn合金（≤2 wt%）为韧窝断口，高Sn合金（≥6 wt%）则呈现韧窝-解理混合断裂特征，Mg-4Sn合金因优化DRX程度获得最佳强塑性匹配（延伸率17.5%）。

4 讨论
通过Hall-Petch公式和Orowan机制量化三种强化贡献：晶粒细化（σ_GB=11+220d^-1/2）、Mg₂Sn相阻碍位错运动（Δσ_Orowan与粒子间距反相关）以及织构强化（σ_texture=6.5×极密度×0.49 MPa）。价电子理论揭示Mg₂Sn（1 1ˉ 0）晶面超高界面能（3959.76726 kJ/(nm²·mol)）是阻碍位错滑移的关键，而（0 1ˉ 0）晶面极低界面能（7.6041×10^-12 kJ/(nm²·mol)）成为位错运动优先通道。

5 结论
(1) Sn含量调控Mg₂Sn相分布与DRX行为，8 wt% Sn合金通过19 μm晶粒细化和12.81极密度织构实现UTS 236 MPa；
(2) 变形机制随Sn含量演变：≤2 wt%以基面滑移为主，≥6 wt%转为孪生与非基面滑移协同；
(3) 强Mg-Sn键（sp³杂化）和高界面能晶面是强化相稳定性的电子结构基础。该研究为设计高性能镁合金提供了从原子键合到宏观性能的多尺度认知框架。