導(dǎo)讀：大塑性變形（SPD）是一種有效的增強金屬和合金的變形應(yīng)變。然而，由于鎂合金的低變形性，這種方法并不適用于鎂合金。針對這一問題，本文提出了一種新的低應(yīng)變強化方案，即通過室溫下旋轉(zhuǎn)鍛造（RS）在粗晶粒內(nèi)部引入大量孿晶和層錯，成功地制備了一種具有新的強度記錄的超輕塊狀Mg-Li合金，其室溫抗拉強度可達(dá)到405MPa,在目前的研究中具有明顯的優(yōu)勢。

鎂鋰合金由于具有超低密度、優(yōu)異的成形性、良好的阻尼性能和可循環(huán)利用性等優(yōu)點，在航空航天、電子、軍事等領(lǐng)域成為結(jié)構(gòu)應(yīng)用的候選金屬。輕的Li元素的加入不僅可以減少他們的密度，也通過激活<c + a>滑移顯著提高成形性。雖然Mg-Li合金是最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，但隨著Li含量的增加，合金的相變會導(dǎo)致其機械強度較低，強度基本在250 MPa以下，從而抑制了其廣泛的工業(yè)應(yīng)用。

為了克服這一缺點，研究學(xué)者提出了許多增強Mg-Li合金的方法，包括嚴(yán)重塑性變形（SPD），固溶強化和析出相強化。除強化作用外，SPD技術(shù)還可增強Mg-Li-Al合金的耐蝕性。盡管SPD技術(shù)（如擠壓、軋制、等通道角擠壓和高壓扭轉(zhuǎn)）可以施加高達(dá)數(shù)百的應(yīng)變，但由于HCP Mg-Li合金的飽和位錯積累和/或有限的塑性，對塊體Mg-Li合金的強化效果相當(dāng)有限。此外，這些SPD技術(shù)通常昂貴、復(fù)雜和效率低下；生產(chǎn)的樣品的最大尺寸是厘米級甚至毫米級，難以制備大尺寸合金。

已有的納米級孿晶可以顯著增強金屬強度，同時保持相當(dāng)大的塑性和加工硬化，因為孿晶邊界（TBs）阻礙作為遵循經(jīng)驗霍爾-佩奇關(guān)系的位錯運動。此外，Mg-Li合金還可以通過雙孿晶和CTW-層錯（SFs）結(jié)構(gòu)進(jìn)行強化。在高應(yīng)變下，鎂合金發(fā)生的變形孿晶不可避免地引入剪切局部化和應(yīng)力集中。因此，如何在不發(fā)生剪切局部化或應(yīng)力集中的情況下，在Mg-Li合金中引入高密度的孿晶和SFs，提高其強化效果仍然是一個技術(shù)難題。

旋轉(zhuǎn)鍛造（RS）-一種廣泛使用的工業(yè)方法——可以產(chǎn)生高達(dá)100 s1的變形應(yīng)變速率，也可以產(chǎn)生來自模具沖擊的高靜壓應(yīng)力。因此，我們認(rèn)為即使是低應(yīng)變的RS也可能有利于Mg合金引入高密度的孿晶，同時避免TBs附近的應(yīng)力集中。此外，RS成本低，效率高，允許在每一個道次施加小的應(yīng)變。

基于此，南京理工大學(xué)陳翔教授團(tuán)隊采用小應(yīng)變旋鍛技術(shù)在室溫下對Mg-4Li基合金進(jìn)行加工。系統(tǒng)研究了Mg-4Li合金模壓成形后的力學(xué)性能和組織演變規(guī)律，并通過微觀組織分析對其強化機理進(jìn)行了評價。通過室溫下旋轉(zhuǎn)鍛造（RS）在粗晶粒內(nèi)部引入大量孿晶和層錯，成功地制備了一種具有新的強度記錄的超輕塊狀Mg-Li合金，其室溫抗拉強度可達(dá)到405MPa，在目前的研究中具有明顯的優(yōu)勢。相關(guān)研究成果以題“Achieving ultra-strong Magnesium–lithium alloys by low-strain rotary swaging”發(fā)表在期刊Materials Research Letters上。

論文鏈接https://doi.org/10.1080/21663831.2021.1891150

RS的工作原理如圖1（a）所示，原始和RS處理樣品的圖片如圖1（b）所示。在鍛壓過程中，四個模具均勻地排列在Mg-Li棒材的圓周上，并圍繞棒材高速旋轉(zhuǎn)，同時沿徑向進(jìn)行高頻短程沖壓。結(jié)果表明，沖擊模的高應(yīng)變率和低應(yīng)變使CG Mg-Li合金的顯微硬度（約為75 HV）提高到100 HV以上，并最終沿半徑形成v形分布，其室溫抗拉強度可達(dá)到405MPa。

圖1 鍛造Mg-Li合金的力學(xué)性能。（a） RS技術(shù)示意圖。（b）接收樣品和RS處理樣品的圖片。（c）從原始和鍛造Mg-Li合金棒的中心到邊緣沿徑向測量的維氏顯微硬度，其中兩個區(qū)域被區(qū)分為I和II。（d）原始和RS處理樣品的典型拉伸曲線。插圖為斷裂拉伸試樣。（e）通過文獻(xiàn)中不同的SPD技術(shù)，比較本研究中不同Mg-Li-X合金（X：合金元素）的抗拉強度和斷裂伸長率。ECAP等通道角壓，ARB累積軋制結(jié)合。（f）不同強化機制下的Mg-Li-X合金中Li含量與UTS的關(guān)系圖。

圖2 原始態(tài)和鍛造態(tài)Mg-Li合金的形貌、相組成和取向圖。（a，b） （a）接收和（b）RS處理的Mg-Li樣品的典型SEM圖像；（b）中的黃色箭頭表示新形成的片層結(jié)構(gòu)。（c）相組成的XRD表征。（d）經(jīng)RS處理的Mg-Li樣品的EBSD取向圖。插圖為色標(biāo)，紅色、綠色和藍(lán)色分別表示晶粒具有<00.1>、<21.0>和<10.0>取向。（e）RS處理樣品對應(yīng)的取向差分布。

圖3 RS處理的Mg-Li合金中位錯運動。（a，b）縱向邊緣截面上拍攝的典型變形微結(jié)構(gòu)的TEM照片。插圖顯示了SAED模式。（c-f）在區(qū)軸線附近使用不同衍射矢量在雙光束條件下的亮場和暗場TEM圖像。（c，d） （f）（e）中選定區(qū)域的放大圖像。（c）和（d）中的黃色直線突出（0001）基面軌跡。

圖4 （HR）TEM揭示了孿晶和SFs強化機制。（a-c）RS處理的Mg-Li合金中的層狀結(jié)構(gòu)的低放大倍數(shù)的TEM圖像和相應(yīng)的SAED圖。（d）HRTEM圖和相應(yīng)的FFT圖展示了在孿晶中的SFs。（e）層狀晶粒中SFs的HRTEM圖像和相應(yīng)的快速傅里葉反變換（IFFT）圖像；（f）孿晶和SFs的寬度變化；（g，h）SFs原子尺度TEM圖像及相應(yīng)GPA分析。

綜上所述，在室溫條件下，本文用RS技術(shù)成功制備了高強度CG HCP Mg-Li合金。有趣的是，在低應(yīng)變鍛造過程中晶粒內(nèi)部產(chǎn)生了大量孿晶和SFs，這有效了阻止位錯的運動和保持了應(yīng)變硬化。考慮到低成本和簡便的工藝，我們預(yù)計大塊超輕Mg-Li合金的工業(yè)應(yīng)用將大大加快。