晶界偏聚诱导的非基面滑移激活现象，使得Mg–Mn–Sm合金具有超高的延展性

《HUMAN RESOURCE MANAGEMENT REVIEW》：Grain boundary segregation induced non-basal slip activation with ultrahigh ductility in Mg–Mn–Sm alloys

Mg-Mn-Sm合金晶界Mn-Sm共沉淀增强非基面滑移与延展性研究。摘要：通过微合金化策略在Mg-Mn-Sm合金中实现Mn-Sm晶界共沉淀，形成化学强化界面并抑制脆性相生成。原子级表征和第一性原理计算表明，共沉淀通过提高晶界电荷密度增强结合强度，实验证实裂纹晶界比例降低至6.5%，显著提升室温延展性至68.2%，并促进非基面滑移主导的均匀变形，为低成本工业应用提供新途径。

　　

周世博|陈涛|陈宣新|蔡正阳|李向龙|迪特马尔·莱茨格|吴玉龙|金学瑞|唐艾涛|朱高明|潘福生

重庆工业大学材料科学与工程学院，中国重庆400054

摘要

镁（Mg）合金在室温下的延展性有限，这一直是其结构应用的主要障碍，主要是由于滑移激活受到限制。在本研究中，我们探讨了一种在Mg–Mn–Sm合金体系中的微合金化策略，发现Mn和Sm在晶界（GBs）处的共偏聚与增强非基面滑移活性和超高延展性密切相关。原子尺度的表征显示，在含Mn的合金中，Mn和Sm在晶界处有明显的共偏聚，形成了化学强化的界面，而没有形成脆性的次级相。第一性原理计算表明，这种共偏聚可以通过增加界面电荷密度来增强晶界的结合强度，这与实验观察到的抗晶间裂纹能力提高是一致的。定量分析表明，在15%的应变下，裂纹晶界的比例降低到了6.5%，而在不含Mn的合金中这一比例为约15%。同时，Mn和Sm的微合金化降低了$\text{CRS}{S}_{\text{非}?<mtext>基面</mtext>}$/$\text{CRS}{S}_{\text{基面}}$比率，棱柱形 / 基面 CRSS和金字塔形 / 基面 CRSS比率分别为2.3–3.7和2.9–4.5，从而促进了广泛的非基面滑移的激活。原位同步辐射X射线衍射和准原位EBSD进一步证明，含Mn的合金中更强的晶界偏聚与晶界处的滑移传递和孪晶形成减少有关，从而减轻了局部应力集中。相反，非基面位错在晶界附近形成，减轻了应变局部化，延迟了裂纹的起始，并使断裂行为从以解理为主转变为以凹坑为主。这些结果提供了系统的证据，表明Mn–Sm共偏聚通过影响晶界稳定性和局部变形行为来增强镁合金的延展性，并显示出在大规模工业应用中的巨大潜力。

引言

镁（Mg）合金由于其低密度、高比强度和高阻尼性能，在航空航天、电子和运输行业受到了广泛关注（Liu等人，2023a；Zheng等人，2024）。然而，由于六方密排（HCP）结构，它们在室温下的延展性和成形性较低，这限制了它们的广泛应用。这种结构不满足多晶材料均匀塑性变形的冯·米塞斯条件，因为它只提供了两个独立的滑移系。因此，镁合金表现出强烈的塑性各向异性和有限的延展性（Ji等人，2024；Xu等人，2023b）。

提高延展性的传统方法依赖于晶粒组织和细化。严重的塑性变形（SPD）方法，如等通道角压（ECAP）（Wu等人，2023；Zhou等人，2024c）或高压扭转（HPT）（Sun等人，2023；Sun等人，2018），可以产生超细晶粒结构（晶粒尺寸≤1 μm），从而促进晶界滑移和非基面滑移的激活。这使得镁的伸长率可达到65%（Zhang等人，2023b）。然而，这些方法不适用于大规模生产，因为它们需要专门的设备和工艺。通过添加稀土（RE）元素（例如Ce、Y、Gd）（Guan等人，2022；Sabat等人，2018；Yin等人，2021）或某些非RE元素（例如Ca、Sr）（Liu等人，2025；Zhang等人，2025a）可以削弱基面组织并降低非基面滑移的临界分辨剪切应力（CRSS）。例如，添加Y或Gd（Ahmad等人，2019；Jin等人，2022）可以降低金字塔形滑移的能垒，从而促进位错增殖和应变适应。Xu等人（Xu等人，2023a）证明，添加Li可以改变基面/非基面滑移比率，促进更均匀的变形。Wu等人（Wu和Curtin，2015）证明，RE合金化可以增强交叉滑移，从而在变形过程中促进应变适应并提高延展性。然而，RE元素往往形成脆性的金属间化合物，而Al和Zn（Jin等人，2022）会增加非基面滑移的激活能，从而降低室温延展性。

近年来，溶质偏聚（即合金元素在晶界（GBs）、孪晶界（TBs）和位错等晶体缺陷处的选择性积累）克服了镁合金的强度-延展性trade-off。溶质偏聚通过改变界面的原子化学性质和结构来提高界面强度和延展性。这与沉淀硬化不同，沉淀硬化会引入脆性的次级相。先进的表征方法揭示了受弹性应变最小化和化学键合影响的有序周期性模式，这与McLean的偏聚理论（Hondros和Seah，1977）预测的混乱单层溶质分布相反。高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）成像显示，大溶质原子（例如Sm、Nd）选择性地占据倾斜晶界的拉伸/压缩应变位点，形成了二维界面超结构，提高了Mg–Sm和Mg–Nd–Mn合金的晶界性能（Ma等人，2024；Xie等人，2021a；Xie等人，2021b；Yang等人，2023）。这些有序的偏聚模式积极影响缺陷行为，影响位错的形成和运动。然而，尽管先前的研究表明晶界偏聚会影响镁合金的延展性和断裂行为，但溶质偏聚与机械响应之间的具体化学关系尚未得到充分理解。

具体来说，不同偏聚原子如何影响镁合金中的局部塑性变形行为和晶界介导的断裂抵抗仍需进一步阐明。这主要归因于其他影响因素，如晶粒尺寸、第二相和织构强度，这些因素会随着晶界偏聚而变化。例如，Kula等人（Kula等人，2017）发现溶质原子Y可以提高晶界的结合强度，从而提高延展性。Yang等人（Yang等人，2024）发现，添加Zn不仅可以防止孪晶的形成并促进金字塔形滑移，还可以通过Zn偏聚增强晶界的结合强度，从而提高镁合金的延展性。然而，并非所有偏聚原子都会产生有益的效果。例如，氢倾向于在高角度晶界和三重晶界附近局部化，这可能导致氢辅助的裂纹传播和合金的过早断裂（Li等人，2023）。此外，Zeng等人（Zeng等人，2016）表明，单独添加Ca会使晶界变脆，而Ca–Zn共偏聚可以减少应变失配，增强晶界结合强度，提高延展性，并抑制晶间裂纹。相反，晶界强化归因于溶质偏聚引起的化学键合增强和弹性应变减少（Somekawa等人，2013；Tsuru等人，2018；Zhang等人，2025b），而应变增加或键合减弱会导致脆化。尽管这些概念阐明了偏聚引起的晶界结合强度，但它们仍然缺乏实验验证。此外，目前文献中缺乏系统评估溶质偏聚对断裂耐受性和相关机械性能影响的直接实验证据。

出于克服镁合金室温延展性有限的需要，本研究重点研究了Mg–Mn–Sm体系，在该体系中，微合金化可以在不形成脆性金属间化合物的情况下实现晶界溶质偏聚。本研究系统地研究了Mn和Sm在晶界偏聚对挤压镁合金中滑移激活和断裂行为的影响。通过多尺度表征和建模方法的结合，研究了Mn–Sm共偏聚与Mg–Mn–Sm合金的变形行为和断裂抵抗之间的相关性。这些发现有助于更深入地理解低合金镁合金中的偏聚辅助延展性。

材料制备

采用传统的铸造方法，通过熔化Mg–3 wt.% Mn母合金、Mg–20 wt.% Sm母合金以及高纯度Mg（99.99 wt.%），并在SF₆和CO₂的保护气氛下（体积比为$V_{S6}C2=1$），在电炉中进行了铸造过程。为了确保充分混合，将熔体搅拌并在720°C下保持30分钟。然后将铁坩埚在热水中冷却。

初始微观结构

如图1a所示，我们利用热力学计算确定了几种满足设计要求的Mg–Mn–Sm合金（MS0、MS03、MS06和MS09）。然后，根据计算结果，进一步确定了挤压前的适当热处理程序（图1a中的红色虚线表示在530°C时，1 wt.% Sm和0.9 wt.% Mn完全溶解在Mg基体中）。这与热力学结果一致

讨论

在这项工作中，通过传统的热挤压制备了一种具有超高室温延展性的稀镁–Mn–Sm合金（图3a）。在前一节中，我们讨论了合金在变形前后的微观结构演变，包括晶内和晶间变化。因此，应考虑合金元素对高延展性的影响：晶界偏聚的拖拽效应和非基面位错的运动（Zhang等人，2024；Zhang等人，2026；

结论

在这项工作中，使用准原位EBSD、HAADF-STEM、VPSC、原位同步辐射X射线衍射和第一性原理计算系统地研究了挤压镁–Mn–Sm合金的拉伸变形机制。主要结论如下：

HAADF-STEM和EDS分析证实了Mn和Sm在晶界的共偏聚。第一性原理计算表明，这种共偏聚可以增加晶界的结合强度和电荷密度，这与实验结果一致

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