北工大杜文博教授：新方法解决Mg-Gd合金的强度和延展性相悖特性

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导读：强度-延展性权衡一直是金属合金（尤其是镁合金）中长期存在的困境。在这里，我们报告了一种通过Li来解决析出强化Mg-Gd合金中这种强度 - 延展性困境的新策略。不同于传统β′<相，1 wt%Li加入该合金不仅能提高不同尺寸β的沉淀， β1R， βH−II′相和Li团簇提供更好的组合强化效果，同时也增强了延展性同时得到改善。此外，Li的添加带来了密度的降低，从而增加了比屈服强度。目前采用加Li的策略为镁合金的开发提供了新的视角，这些合金具有高强度延展性协同作用和高比屈服强度。

位错的活性，以适应塑性变形过程中的应变。因此，与Mg-7Gd（wt%）合金相比，拉伸屈服强度和

镁合金是汽车和航空航天工业中使用的其他金属结构材料的有前途的轻质替代品。强度-延展性的权衡是镁合金不可避免的挑战。近年来，Mg-Gd基锻造合金由于其高强度而特别具有吸引力。Mg-Gd二元合金的拉伸屈服强度（TYS）在热挤压后可达到350 MPa。不幸的是，大量的Gd和其他元素，例如Y，Nd，Zn和Ag等，被添加到这些合金中以进一步获得更高的强度，从而不可避免地导致延展性的妥协。Mg延展性差源于其固有的六角形紧密堆积（HCP）结构，只有两个独立的滑动系统（基底（0001）<112 ̄0室温下>） 。需要其他变形模式，包括非基滑和孪生，以实现其高延展性。早期研究证明，镁合金中的Li添加不仅通过激活锥体纳米级 β1R在挤压的Mg-Gd-Y-Zn-Li合金的晶粒内部观察到相。它在棱柱平面上的动态沉淀使这种带有Li的合金具有295 MPa的高TYS 。众所周知，这种纳米级相的动态析出也可以在其他金属结构材料中观察到，例如，通过高压扭转处理的7075 Al合金中的η相，通过等通道角压处理处理的Zn合金中的Mg-Zn相和通过热压缩处理的高Nb钢中的NbC相.通常，这些纳米级相可以有效地增强强度，同时保持甚至改善延展性。因此，考虑到Li的增韧和强化β1R在以往的Mg合金中，进一步探索通过Li加成突破Mg-Gd合金强度-延展性困境的可能性是非常有趣的。

位错来提高其延展性，而且还降低了它们的密度。不幸的是，含镁合金的Li通常表现出较差的强度，其TYS在室温下几乎不超过300 MPa。在我们以前的研究中，一种新型

时效硬化是提高Mg-Gd基合金强度的一种方法。三元或四元元素的微量添加进一步导致镁合金的时效硬化反应通过沉淀物的细化或沉淀相的交替而显著增强。前者在Mg-Gd体系中添加了Y和Nd，在Mg-Zn体系中添加了Ag和Ca，而后者在Mg-Gd体系中添加了Zn 和Ag ，在Mg-Zn体系中增加了Li。在后一种情况下，Zn和Ag添加到Mg-Gd合金中会导致β串联相位和γ串联相，而锂与镁锌合金的痕量添加改变了镁锌的优势相2至 镁4锌7。尽管这种时效反应增强可明显提高强度，但室温延展性会受到重大挫折。最近有报道，峰值时效的Mg-13Gd合金达到了470 MPa的明显高TYS，但在室温下延展性较差，仅为2.5%。

北京工业大学杜文博教授团队为解决沉淀强化Mg-Gd合金的强度-延展性困境，在本研究Mg-Gd合金中加入合金元素Li，通过沉淀改性调节其时效响应，使所得微观组织达到高强度-延展性协同作用。据我们所知，Li添加对Mg-Gd基合金的时效硬化反应的影响仍然未知。采用高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）和原子探针断层扫描（APT）阐明了Mg-Gd合金的Li添加引起的沉淀行为变化 。在微观结构观测的基础上，探讨了Mg-Gd-Li合金的增韧和强化机理。本文以题“New strategy to solve the ambient strength-ductility dilemma in precipitation-strengthened Mg-Gd alloys via Li addition”发表在Scripta Materialia上。

链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359646222003979

图 1.（a） 0Li和1Li合金的时效硬化曲线;（b） 0Li和1Li合金在各种条件下的拉伸应力-应变曲线;（三）拉伸屈服强度与电流研究合金和不同Mg和Al合金的断裂伸长率的关系（d）比屈服强度与当前研究的合金以及商用Mg和Al合金的失效伸长率。

图 2.（a） 0Li 和 （b 和 c） 1Li 合金的 OM 和 SEM;EBSD（d） 0Li 和 （e） 1Li 合金的 IPF 图;（f） 取自所有晶粒、变形（Def.）晶粒和DRX晶粒的0Li和1Li合金的IPF。

图 3.（a）挤压0Li合金，（b）挤压1Li合金，（c和c1）峰老化0Li合金和（d和d1）峰老化1Li合金的HAADF-STEM图像。

图 4.在（a）挤压和（b）峰老化条件下，1Li合金中Mg，Gd和Li原子的APT重建图和分离浓度表面（6%Li和5.5%Gd）。在圆柱体1和圆柱体2之间提供组成配置文件，平均组成为（a1） β1R相位和 （b1）βH−I′阶段。（c） 李星团和βH−I′图4b中圆柱体3中的相以及其中相应的溶质分布。（c1）圆柱体3中Gd和Li原子的2D浓度（原子分数，%）图。（c2）跨 Li 集群界面的组成配置文件和βH−I′图4中气缸中的相位。4c.

图 5.BF-TEM图像在（a-c）0Li和（d-f）1Li合金的双束条件下变形为总应变为2%。

结论：综上所述， 我们报道了一种通过Li加成解决沉淀强化Mg-Gd基合金的强度-延展性困境的新策略.不同于强化β′相在Mg-7Gd（wt%）合金中，向该合金中添加1重量%Li不仅会产生不同尺寸β,β1R,βH−I′ 相和Li团簇具有较好的结合强化效果，同时也增强了塑性变形。因此，环境强度和延展性同时得到改善。Li的添加还降低了Mg-7Gd合金的密度，从而将其比屈服强度提高到170千米克−1.

位错活性，以适应