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近日，上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院曾小勤教授、王樂耘研究員團(tuán)隊(duì)在鎂合金塑性變形調(diào)控領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，首次從單晶與多晶行為差異的角度，揭示了稀土元素Gd促進(jìn)錐面<c+a>滑移的關(guān)鍵機(jī)制。相關(guān)成果以“Origin of enhanced <c+a> slip in Mg-Gd alloys”為題，發(fā)表于國際塑性領(lǐng)域權(quán)威期刊 International Journal of Plasticity。論文第一作者為博士生石東方，通訊作者為王樂耘研究員與王杰助理研究員。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2026.104702

文章介紹

鎂作為最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，在航空航天、軌道交通等領(lǐng)域應(yīng)用潛力巨大。然而，其密排六方晶體結(jié)構(gòu)導(dǎo)致室溫下可啟動(dòng)的滑移系有限，尤其是協(xié)調(diào)c軸變形的關(guān)鍵載體——錐面<c+a>位錯(cuò)激活應(yīng)力極高，難以有效開動(dòng)，成為制約鎂合金延展性的核心瓶頸。盡管稀土元素Gd被證實(shí)能提升鎂合金塑性，但其促進(jìn)<c+a>滑移的機(jī)理長期存在爭(zhēng)議：單晶實(shí)驗(yàn)顯示Gd對(duì)<c+a>滑移本征阻力影響有限，而多晶材料中卻表現(xiàn)出顯著的<c+a>滑移活性增強(qiáng)。這一矛盾亟待澄清。

研究團(tuán)隊(duì)通過精細(xì)調(diào)控?cái)D壓工藝，制備了晶粒尺寸匹配的Mg-1Al、Mg-1Zn和Mg-1Gd合金，在排除Hall-Petch效應(yīng)干擾的前提下，系統(tǒng)比較了三種合金的變形行為。結(jié)合晶體塑性模擬（EVPSC）、滑移跡線分析、TEM位錯(cuò)表征及單晶微柱壓縮實(shí)驗(yàn)，揭示了多晶與單晶Mg-Gd合金中<c+a>滑移行為的顯著差異。

圖1 Mg-1Al、Mg-1Zn與Mg-1Gd合金的初始組織與力學(xué)性能對(duì)比

圖2 多尺度表征揭示不同合金的變形機(jī)制差異

研究結(jié)果顯示，多晶Mg-Gd表現(xiàn)出更低的<c+a>滑移臨界分切應(yīng)力（CRSS）和更高的滑移活性，同時(shí)孿生被抑制，從而獲得更高的應(yīng)變硬化能力和更優(yōu)的拉伸塑性。單晶微柱壓縮結(jié)果卻顯示，Mg-Gd中<c+a>滑移的CRSS仍高達(dá)約260 MPa，遠(yuǎn)高于多晶中擬合值（~77 MPa），表明單晶本征阻力的變化無法解釋多晶中的增強(qiáng)現(xiàn)象。

進(jìn)一步原子尺度表征（STEM-EDS）與密度泛函理論（DFT）計(jì)算發(fā)現(xiàn)，Gd原子在晶界處發(fā)生強(qiáng)烈偏聚，其偏聚傾向遠(yuǎn)高于Al、Zn等常規(guī)元素。研究團(tuán)隊(duì)提出一種全新的“晶界介導(dǎo)機(jī)制”，即偏聚于晶界的Gd原子可改變晶界附近的局部應(yīng)力狀態(tài)與原子構(gòu)型，顯著降低<c+a>位錯(cuò)從晶界處形核的能壘。這一機(jī)制解釋了單晶與多晶實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分歧，統(tǒng)一了學(xué)界對(duì)稀土Gd元素增強(qiáng)鎂合金塑性的不同認(rèn)識(shí)。

圖3 單晶與多晶中各滑移/孿生模式CRSS對(duì)比

圖4 Mg-Gd合金中<c+a>滑移激活能力增強(qiáng)及晶界介導(dǎo)機(jī)制

該工作不僅澄清了Gd促進(jìn)<c+a>滑移的爭(zhēng)議性來源，更重要的是將研究視角從傳統(tǒng)的晶內(nèi)層錯(cuò)能調(diào)控轉(zhuǎn)向晶界工程。鑒于工程材料多以多晶形式服役，這一發(fā)現(xiàn)為通過溶質(zhì)偏聚設(shè)計(jì)高性能鎂合金提供了全新思路，未來可主動(dòng)調(diào)控溶質(zhì)在晶界的分布，實(shí)現(xiàn)鎂合金強(qiáng)度與塑性的協(xié)同優(yōu)化，推動(dòng)輕量化結(jié)構(gòu)材料的工程應(yīng)用。