《Journal of Materials Research and Technology》：Effects of annealing on twin boundary segregation and strengthening in Mg-Gd alloys
编辑推荐：
本研究针对镁合金中孪晶界（TB）结构调控与力学性能优化的关键问题，系统探讨了在不同Gd含量（1.29 wt.%和6.2 wt.%）的Mg-Gd合金中，退火处理如何通过调控溶质偏聚和沉淀行为来影响TB的稳定性及合金的屈服强度。研究结果表明，通过合金化（Gd添加）与退火工艺相结合，可有效诱导TB处Gd偏聚及Mg5Gd析出，显著抑制孪晶生长，从而提升合金强度，为高性能镁合金的设计提供了新思路。
镁（Mg）合金被誉为“21世纪的绿色工程材料”，因其低密度和高比强度，在航空航天、交通运输等领域展现出巨大的应用潜力。然而，镁具有密排六方（HCP）晶体结构，在室温下可启动的滑移系有限，这使得孪生，尤其是临界分切应力较低的拉伸孪生，成为其塑性变形的重要机制。遗憾的是，镁合金中的孪晶界（Twin Boundary, TB）往往不够稳定，在外力作用下容易发生迁移或收缩，这不仅影响了材料的尺寸稳定性，也限制了其强度的进一步提升。能否“锁住”这些活跃的孪晶界，成为提升镁合金力学性能的关键之一。
科学家们发现，通过引入溶质原子在孪晶界处发生偏聚（Segregation），或者通过热处理诱导析出相（Precipitation）在界面上形成，可以像“钉子”一样钉扎住孪晶界，有效抑制其运动，从而起到强化作用。其中，稀土元素钆（Gd）因其原子半径较大，与镁基体存在显著的晶格错配，被认为具有强烈的在晶体缺陷处（如孪晶界、位错）偏聚的倾向。但是，溶质类型、浓度以及热处理工艺如何协同作用，精确调控孪晶界结构的演化，特别是其对最终力学性能（如屈服强度）的影响规律，尚缺乏系统深入的理解。例如，退火过程中同时发生的位错湮灭（导致软化）和孪晶界钉扎（导致强化）相互竞争，最终力学性能的走向取决于哪种效应占据主导。为了厘清这一复杂关系，研究人员开展了一项针对性的研究。
为了回答上述问题，来自北京科技大学现代交通金属材料与加工北京实验室的研究团队崔玉洁、吴周、刘晨瑄、杨彪彪、王军、Saad Ebied和李云平，在《Journal of Materials Research and Technology》上发表了一项研究。他们系统地探讨了退火对预压缩Mg-Gd合金中孪晶界偏聚行为和强化效果的影响。研究团队选取了两种不同Gd含量的Mg–xGd合金（x = 1.29和6.2 wt.%）作为主要研究对象，同时以Mg–0.45Mn合金作为参照系，因为Mn在镁中的固溶度极低，预计不会在孪晶界发生明显的偏聚或析出。这种巧妙的对比设计，使得研究者能够清晰地分离出Gd元素本身及其浓度在退火过程中的关键作用。
本研究主要依托几项关键的技术方法。首先，材料制备方面，对热轧后的合金进行了固溶处理以消除初始缺陷，然后通过预压缩（应变4%）引入高密度的{10–12}拉伸孪晶。随后，在250°C下进行不同时间（1000秒或5000秒）的退火处理，以研究退火诱导的微观结构演变。微观结构表征综合运用了电子背散射衍射（EBSD）进行晶粒取向、孪晶识别和位错密度分析，以及像差校正的高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）结合能量色散X射线光谱（EDS）进行原子尺度的元素分布和析出相分析。力学性能则通过室温压缩试验（应变率0.001 s-1）来评估，重点关注第二次压缩时的屈服强度（0.2%条件屈服强度）变化。
3. 结果
3.1 初始微观结构
固溶处理后的Mg-0.45Mn、Mg-1.29Gd和Mg-6.2Gd合金均未观察到孪晶，平均晶粒尺寸介于100至200微米之间，排除了晶粒尺寸对后续孪生行为的显著影响。
3.2 预压缩与退火后的孪晶特征
经过4%的预压缩后，所有合金均产生了显著的{10–12}拉伸孪晶，计算得到的孪晶体积分数约为21%–26%。退火处理（250°C, 5000 s）后，孪晶的宏观形貌未发生明显改变，表明在介观尺度上孪晶结构保持稳定。
3.3 力学性能响应
第二次压缩测试的屈服强度变化揭示了退火的显著影响。对于Mg-0.45Mn合金，退火后屈服强度从52.0 ± 2.5 MPa大幅下降至33.0 ± 1.5 MPa（降幅约36.5%）。与之相反，含Gd的合金则表现出强度提升：Mg-1.29Gd和Mg-6.2Gd合金的屈服强度分别增加了18.2%和29.0%。这表明退火促进了Mg-Mn合金中孪晶的生长（所需应力降低），却抑制了Mg-Gd合金中孪晶的生长（所需应力增加），且Gd浓度越高，强化效果越显著。
3.4 纳米尺度微观结构演化
微观分析揭示了力学性能差异背后的本质原因。在Mg-0.45Mn合金中，退火主要降低了孪晶界附近的位错密度，但未观察到Mn在孪晶界的偏聚或析出。而在Mg-Gd合金中，退火不仅降低了位错密度，更关键的是诱导了Gd原子在孪晶界处的显著偏聚。特别是在高Gd含量的Mg-6.2Gd合金中，还观察到了Mg5Gd析出相在孪晶界处形成。HAADF-STEM图像中沿孪晶界的亮线衬度以及EDS线扫描都证实了Gd的富集。
4. 讨论与结论
研究的讨论部分对上述现象进行了深入的机理分析。退火对力学性能的净影响是位错湮灭（软化）与孪晶界钉扎（强化）相互竞争的结果。通过几何必需位错（GND）密度计算估计，退火导致Mg-0.45Mn、Mg-1.29Gd和Mg-6.2Gd合金因位错强化减弱而引起的屈服强度下降分别约为14 MPa、12 MPa和10 MPa。
在Mg-Gd合金中，Gd原子倾向于偏聚到孪晶界处的拉伸区域，以弛豫局部应变，降低界面能，从而稳定孪晶界。这种偏聚行为本身就对孪晶界迁移产生摩擦应力（Pinning stress）。根据理论模型，此摩擦应力与界面两侧的溶质浓度差和结合能变化成正比。随着退火进行，Gd不断偏聚，钉扎效应增强。此外，在高Gd合金中，偏聚还为Mg5Gd析出相在孪晶界处异质形核创造了条件，进一步通过Orowan机制强化合金。计算表明，析出强化对Mg-1.29Gd和Mg-6.2Gd合金屈服强度的贡献分别约为20 MPa和38 MPa。
因此，在Mg-0.45Mn合金中，由于缺乏有效的孪晶界钉扎，退火净效应表现为软化，强度下降。而在Mg-Gd合金中，孪晶界钉扎（源于偏聚和析出）带来的强化效应超过了位错湮灭的软化效应，导致净强化，且强化幅度随Gd浓度增加而增大。
这项研究清晰地表明，通过精心选择合金元素（如具有高固溶度和强偏聚倾向的Gd）并设计合适的热处理工艺（如特定温度的退火），可以主动地调控镁合金中孪晶界的结构状态（从可迁移到被钉扎），从而为实现镁合金力学性能的优化提供了一条有效途径。这不仅深化了对镁合金强化机理的理解，也为开发高强度镁合金或高阻尼镁合金（通过控制孪晶界迁移性）指明了不同的材料设计策略，具有重要的理论价值和应用前景。
