導讀
文章報道了在低溫退火的Mg-1.0Zn-0.45Ca-0.33Sn-0.2Mn 合金時效時出現的快速位錯介導的溶質再分配。顯著的應變老化硬化與晶粒細化的強化相結合，導致了高屈服強度（∼297 MPa）和延展性（∼20%），並藉此提出了一個可行的途徑，透過結合應變老化硬化和晶粒細化強化來開發效能優異的低鎂合金。
鎂合金若要成為有競爭力的輕質結構材料，需要兼具高的成形性和強度。減少合金新增量可以大幅改善成形性。由於合金含量低，缺乏沉澱物，溶質強化和沉澱硬化在低鎂合金中不足，低合金化的鎂合金的強度通常無法滿足應用。引入高密度位錯可以提高強度，但會損失塑性變形能力。晶粒細化低鎂合金通常是最重要的強化方式，目前的研究方向多為減小低鎂合金的晶粒尺寸，甚至致力於縮小到亞微米級。但是傳統的加工方法實現的最小晶粒尺寸通常為幾微米，導致屈服強度限於200 MPa。
利用應變老化硬化利用溶質原子和位錯之間的相互作用來進一步提高鋁合金的強度也是可行的。硬化反應需要高溫固溶處理來提供相對高的溶質濃度。然而，高溫熱處理會導致明顯的鎂合金晶粒增長。與鋁合金相比，鎂合金中由於晶粒粗化造成的強度損失很難通過後續的應變老化處理得到補償，這是因為鎂合金固有的Hall-Petch係數較大，限制了強稀釋鎂合金的發展。
近日，吉林大學查敏教授課題組聯合南京理工大學的研究團隊在低溫退火的Mg-1.0Zn-0.45Ca-0.33Sn-0.2Mn合金中發現了意想不到的應變老化硬化反應（YS增量為∼30 MPa），並根據多尺度微觀結構特徵揭示了其內部機制，這打破了以往在應變老化處理前需要高溫固溶保證溶質濃度的認知。相關研究成果以題為“Rapid dislocation-mediated solute repartitioning towards strain-aging hardening in a fine-grained dilute magnesium alloy”發表於《Materials Research Letters》。該工作為實現稀鎂合金的應變老化硬化和細晶粒強化提供了新途徑。
透過優化合金成分和退火引數，相當數量的Zn和Ca溶質原子在GBs處偏析並溶解於基體。此外，在預拉伸誘導位錯的促進下，預分離的Zn和Ca原子在隨後的短時效過程中向基體擴散，釘住位錯運動，導致異常快速的應變老化硬化反應。
圖 1 (a) 退火、直接老化、預拉伸和應變老化的ZXTM1000合金的拉伸工程應力-應變曲線。(b) 各種軋製和擠壓的鎂合金的屈服強度與伸長率的關係
圖2 (a, b)IPF；(d, e)GB與{101 ̅2}孿生邊界疊加；(h, i) (a, d, h)退火和(b, e, i)預拉伸ZXTM1000合金的KAM影象。錯向角在2°到15°之間的邊界用灰線表示，錯向角在15°以上的邊界用黑線表示，{101 ̅2}孿生邊界在(d, e）中用紅線表示；(c)退火和預拉伸的ZXTM1000合金的GB錯向分佈；(f,g) 預拉伸ZXTM1000合金的典型滑移軌跡分析結果。計算出的基底滑移、稜柱滑移和金字塔II滑移的滑移軌跡方向分別用1-3、4-6和7-12表示。(j, k) 在(j)g = [0002], (k)g = [12 ̅10]條件下拍攝的兩束中心暗場影象。
圖3 (a) 應變老化的ZXTM1000合金的BF-STEM影象；(b, c) HAADF-STEM影象，對應於(a)中區域I和區域II；(d) 應變時效ZXTM1000合金中Zn, Ca, Sn, Mn的APT圖；(e) 沿著(d)中的圓柱體1的一維成分圖；(f) 從(d)中提取的放大體積(20×20×60 nm3)，以及Zn元素的1NN距離的計數分佈；應變老化ZXTM1000合金的(g) BF-TEM和(i) HRTEM影象。(h)對應於基體的SAEDs
細晶粒強化和應變時效硬化的協同作用保證了稀ZXTM1000合金的高屈服強度（∼297MPa）和延展性（∼20%）。
圖4 (a, b)退火的ZXTM1000和應變老化的ZXTM1000中Zn, Ca, Sn, Mn的APT圖，(a)中最右邊的圖是用0.55 at.%的Ca等值面繪製的；(c, d, f)沿(c)圓柱體1, (d)圓柱體2和(f)圓柱體3的一維成分圖。(e) 檢測到的兩個晶界的Zn和Ca原子的Gibbsian介面過量
圖5 (a-e)原位加熱時預拉伸ZXTM1000合金的HAADF-STEM影象。(a)加熱前，(b)在175°C達到，(c) 175°C 10分鐘，（d）175°C 20分鐘，（e）175°C 30分鐘。(f, g) 加熱前(f)和加熱後(g)的STEM-EDS圖譜結果。(h) 從EDS製圖資料中提取的線掃描結果，對應於（a）和（e）中的特定區域
本工作為開發具有高強度-延展性協同作用的稀鎂合金提供了新的視角，即在保持細晶粒微觀結構的同時操縱溶質分配行為。
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