編輯推薦：鎂合金因其輕質和低密度等優勢在汽車工業和航空航天等領域得到了廣泛應用，但是低強度是鎂合金發展的一大限制。細晶強化是最常用的強化方式之一。細晶強化效果可以用Hall-Petch關系來描述，其中，Hall-Petch斜率k是一個重要的參數，代表晶界對變形從一個晶粒傳遞到相鄰晶粒的阻礙作用的大小。鎂合金的Hall-Petch斜率與材料參數密切相關。大量的報道表明鎂合金的k值具有強烈的織構依賴性，其數值隨織構的改變發生顯著變化。溶質原子對鎂合金的織構和變形模式產生影響，從而影響k值。但是目前，對于不同種類溶質原子對鎂合金Hall-Petch斜率的影響規律機制尚未有研究。

近日，南京工業大學先進輕質高性能材料研究中心信運昌教授和重慶大學材料科學與工程學院黃光杰教授等人在鎂中分別添加等量（0.35.at%）的Al、Zn、Y、Gd四種溶質原子，擠壓得到了Mg-Al、Mg-Zn、Mg-Y、Mg-Gd四種二元鎂合金棒材，發現鎂合金的Hall-Petch斜率與溶質原子類型具有密切相關性，通過定量計算和微觀結構表征揭示了相應的機制，該研究結果豐富了鎂合金強化理論體系，可為利用溶質原子控制和提升鎂合金性能提供有益的指導。該成果以題為“Solute atom mediated Hall-Petch relations for magnesium binary alloys”發布在Scripta Materialia上，其中，文鈺為論文第一作者，管博為論文的共同第一作者，信運昌教授為論文的通訊作者，黃光杰教授為論文的共同通訊作者。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.114451

研究人員利用擠壓得到的Mg-Al、Mg-Zn、Mg-Y、Mg-Gd四種二元鎂合金棒材，測試了沿擠壓棒材的ED壓縮時的Hall-Petch斜率k。研究發現，Mg-Y和Mg-Gd合金的Hall-Petch斜率明顯低于Mg-Al和Mg-Zn的Hall-Petch斜率。為了探究其機制，研究者通過定量計算的方法揭示了CRSS 比值、織構以及變形模式等影響。研究發現溶質原子可能導致不同變形機制CRSS比值的變化不是導致Hall-Petch斜率溶質原子相關性的主要原因。隨后，通過對四種二元鎂合金的織構和變形模式進行分析，發現在Mg-Al和Mg-Zn{10-12}孿生是主導變形模式，而在Mg-Y和Mg-Gd中，孿生和基面滑移共同主導變形。由于基面滑移在晶界處塞積有利于激發孿生變形，從而導致晶界阻礙變形傳遞作用降低，同時晶界對于基面滑移阻礙作用低于對孿生的阻礙作用。因此，基面滑移的大量出現以及基面滑移和孿生的交互作用是導致Mg-Y和Mg-Gd的k值較低的主要原因。

圖一溶質原子影響Hall-Petch關系

圖二微觀織構(a) Mg-Al, (b) Mg-Zn, (c) Mg-Y and (d) Mg-Gd

圖三溶質原子類型影響變形機制

綜上所述，該論文研究了Mg-Y、Mg-Al、Mg-Zn和Mg-Gd四種二元鎂合金中溶質原子對Hall-Petch關系的影響機制。該研究表明Mg-Y和Mg-Gd的k值明顯低于Mg-Al和Mg-Zn。研究發現，k值的溶質依賴機制主要與四種合金中與織構差異相關的主導變形模式的變化有關。Zn或Al的加入形成了較強的基相織構，在擠壓作用下形成了{10-12}孿晶為主導的變形。相反，Gd或Y的加入使織構弱化，從而使{10-12}孿晶和基面滑移被廣泛激活。較低的基面滑移k值和基面滑移對{10-12}孿晶的激活作用，導致Mg-Y和Mg-Gd的k值較低。