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近日，上海交通大學材料科學與工程學院曾小勤教授、王樂耘研究員團隊在鎂合金塑性變形調控領域取得重要進展，首次從單晶與多晶行為差異的角度，揭示了稀土元素Gd促進錐面<c+a>滑移的關鍵機制。相關成果以“Origin of enhanced <c+a> slip in Mg-Gd alloys”為題，發(fā)表于國際塑性領域權威期刊 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構材料，在航空航天、軌道交通等領域應用潛力巨大。然而，其密排六方晶體結構導致室溫下可啟動的滑移系有限，尤其是協(xié)調c軸變形的關鍵載體——錐面<c+a>位錯激活應力極高，難以有效開動，成為制約鎂合金延展性的核心瓶頸。盡管稀土元素Gd被證實能提升鎂合金塑性，但其促進<c+a>滑移的機理長期存在爭議：單晶實驗顯示Gd對<c+a>滑移本征阻力影響有限，而多晶材料中卻表現出顯著的<c+a>滑移活性增強。這一矛盾亟待澄清。

研究團隊通過精細調控擠壓工藝，制備了晶粒尺寸匹配的Mg-1Al、Mg-1Zn和Mg-1Gd合金，在排除Hall-Petch效應干擾的前提下，系統(tǒng)比較了三種合金的變形行為。結合晶體塑性模擬（EVPSC）、滑移跡線分析、TEM位錯表征及單晶微柱壓縮實驗，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性能對比

圖2 多尺度表征揭示不同合金的變形機制差異

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

進一步原子尺度表征（STEM-EDS）與密度泛函理論（DFT）計算發(fā)現，Gd原子在晶界處發(fā)生強烈偏聚，其偏聚傾向遠高于Al、Zn等常規(guī)元素。研究團隊提出一種全新的“晶界介導機制”，即偏聚于晶界的Gd原子可改變晶界附近的局部應力狀態(tài)與原子構型，顯著降低<c+a>位錯從晶界處形核的能壘。這一機制解釋了單晶與多晶實驗結果的分歧，統(tǒng)一了學界對稀土Gd元素增強鎂合金塑性的不同認識。

圖3 單晶與多晶中各滑移/孿生模式CRSS對比

圖4 Mg-Gd合金中<c+a>滑移激活能力增強及晶界介導機制

該工作不僅澄清了Gd促進<c+a>滑移的爭議性來源，更重要的是將研究視角從傳統(tǒng)的晶內層錯能調控轉向晶界工程。鑒于工程材料多以多晶形式服役，這一發(fā)現為通過溶質偏聚設計高性能鎂合金提供了全新思路，未來可主動調控溶質在晶界的分布，實現鎂合金強度與塑性的協(xié)同優(yōu)化，推動輕量化結構材料的工程應用。