導讀：鎂（Mg）合金的延展性較差，原因是其非常尖銳的紋理源自有限的易激活滑移模式。雖然已經采用了一些策略來獲得鎂多晶體中的弱織構微結構，但在提高延展性的同時，強度通常會出現不期望的下降。在這里，我們通過精心設計的軋制/退火工藝，制造出了具有獨特取向異質結構的稀 Mg-1Zn-1Sn-0.2Ca（重量百分比，ZTX110）合金，即均勻分布在傳統基體織構中的非基體晶粒。取向異質結構顯示出卓越的延展性，是基底的 1.5 倍。利用一系列互補的表征技術揭示了取向異質結構在多長度尺度上的變形行為。基底晶粒和非基底晶粒之間強烈的晶間相互作用通過觸發非基底滑移改變了前者的變形行為。此外，取向異質結構還有利于防止宏觀裂紋的形成和擴展，從而延緩塑性不穩定性并增強延展性。取向異質結構的強度改性取決于非基質晶粒的體積分數。取向異質結構的非基質晶粒含量為 32%，強度沒有明顯下降，實現了優異的強度-延展性組合。異質變形誘導（HDI）強化抵消了鎂合金因紋理弱化而導致的強度損失。這些發現提供了一種引入分散非基體晶粒以改善鎂合金機械性能的創新而可行的策略，并可推廣到其他六方緊密堆積合金。

鍛鎂（Mg）合金是一種很有前途的減重結構材料，在運輸和電子工業的輕量化應用中吸引了越來越多的關注。然而，與鋁或鋼相比，鍛軋鎂合金在室溫下的強度相對較低，延展性較差，這是阻礙其廣泛應用的一個長期障礙。

在過去幾年中，人們專門設計了雙峰晶粒或雙相等構建異質結構的策略，以規避鋼、鋁和銅等金屬材料在強度-電導率之間的權衡。異質結構中的強度-電導率協同作用是通過異質結構域之間機械不相容性引起的異質變形誘導硬化（HDI）或應變硬化來實現的。對于 HCP 結構的鎂而言，不同滑移系統之間的強各向異性導致具有不同晶體學取向的晶粒之間出現機械不相容性。然而，很少有研究闡明這種機械不相容性如何影響機械行為，以及如何利用多晶鎂的這種固有不相容性來提高強度和延展性。最關鍵的問題在于很難制造出同時包含基底（硬）和非基底（軟）晶向晶粒的鎂合金。

在不含稀土（RE）的鎂合金中，熱變形產生的強烈基底紋理很難在隨后的退火過程中引入非基底取向晶粒。另一方面，對于弱紋理鎂合金（如含 Mg-Zn-Ca、RE 的合金），溶質拖曳效應會促進非基底晶粒的生長，同時限制基底晶粒的生長，因此基底紋理成分一般難以保留。最近，一些研究成功地制造出了具有雙紋理成分的鎂合金，即晶粒的 c 軸平行于法線方向（ND）和垂直于法線方向（ND）。然而，當沿擠壓或法線方向加載時，這兩種紋理成分都處于基底滑移的硬取向。因此，制造同時包含軟取向和硬取向晶粒的鎂合金并揭示取向異質性如何影響機械響應至關重要。    

吉林大學材料科學與工程學院王慧遠等人設計了一種新型 Mg-0.93Zn-1.04Sn-0.19Ca (wt. %, ZTX110) 取向異質結構合金，并通過控制軋制和退火制造了這種合金。該合金具有優異的強度-延展性組合，即取向異質結構的延展性是基底紋理合金的 1.5 倍，而強度沒有明顯降低。利用同步輻射 X 射線衍射、準原位電子反向散射衍射（EBSD）、數字圖像相關（DIC）等一系列互補表征技術，揭示了取向異質結構在多長度尺度上的變形行為。本研究的目的是建立微觀紋理與晶內/晶間變形行為之間的相關性，填補利用不同取向晶粒之間的相互作用改善鎂合金機械性能的研究空白。

相關研究成果以“Understanding the deformation behaviours of Mg alloys with dispersed non-basal grain-embedded orientation heterostructures”發表在Acta Materialia上。    

鏈接： https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359645424000806

表 1. 不同微觀紋理樣品的加工參數

圖 1. (a) BT、(b) HT1 和 (c) HT2 樣品的 EBSD 逆極圖（IPF）；(0002) 和 (101?0) 極圖，以及基極遠離 ND 的傾斜角（φ）分布。(101?0)極點圖和基底極點遠離 ND 的傾斜角 (φ) 分布。(d, g) BT、(e, h) HT1 和 (f, i) HT2 樣品    

圖 2. 室溫下沿 RD 測試的 BT、HT1 和 HT2 樣品的典型拉伸工程應力-應變曲線。室溫下沿 RD 測試的 BT、HT1 和 HT2 樣品的典型拉伸工程應力-應變曲線

表 2. 室溫下測試的 BT、HT1 和 HT2 樣品的拉伸性能    

圖 3. BT、HT1 和 HT2 樣品在單軸拉伸過程中沿 RD 的準原位微觀結構演變 (a, d, h) 初始；(b, e, i) ~3% 應變；(c, f, j) ~10% 應變；(g) 和 (k) ~17% 應變

圖 4. BT、HT1 和 HT2 樣品在單軸拉伸過程中沿 RD 的準原位（0002）紋理演變 (a, d, h) 初始；(b, e, i) ~3% 應變；(c, f, j) ~10% 應變；(g) 和 (k) ~17% 應變    

圖5. BT (a) 和HT1 (b) 樣品在10%拉伸應變后的同步加速器x射線衍射測量和擬合數據以及擬合數據與測量數據之間的強度差異。(c) 10%拉伸應變后 BT 和 HT1 樣品的 、和型位錯頻率，(d) 總位錯密度、、和型位錯密度          

圖 6. (a) BT、(d) HT1 和 (g) HT2 樣品在初始應變（3%）和最終應變（BT 為 10%，HT1 和 HT2 為 17%）階段的已識別滑移軌跡頻率；(0002) 離散極點圖。應變）和最終（BT 為 10%，HT1 和 HT2 為 17%）變形階段的已識別滑移痕跡的頻率；（0002）離散極點圖 顯示了（b-c）BT、HT1 和 HT2 樣品在初始和最終變形階段涉及不同類型滑移痕跡的晶粒取向。(b-c)BT、(e-f)HT1 和 (h-i) HT2 樣品在初始和最終變形階段涉及不同類型滑移痕跡的晶粒取向；(j) 在 17% 應變下，(j) HT1 和 (k) HT2 樣品軟/硬晶粒內已識別的滑移痕跡的頻率    

圖 7. (a) 從 HT1 樣品中選取的感興趣區域的 IPF 圖，以及相應的 (b) 基底滑移的 SF 分布。(c、e、g）標量 GND 密度（單位 ?m -1 ）和（d、f、h）標量離散度（單位 rad ?m -2 密度（單位：rad ?m -2 ）

圖 8. (a, g) 兩個代表性晶粒簇的 IPF 圖，(a) 選自 HT1 樣品，(g) 選自 HT2 樣品。b、h）和 10%拉伸應變（c、i）后兩個晶粒簇的標量 GND 密度（單位：?m -1）圖；3%（e、k）和 10%拉伸應變（f、l）后兩個相關晶粒簇的相應標量離散密度（單位：rad ?m -2）圖；（d、j）極點圖（0002）中表示的晶體學取向    

圖 9. (a, e, i) IPF 圖、(b, c, f, g, j) SEM 圖和 (d, h, k) (0002) 極點圖顯示了三對晶粒的滑移轉移行為：(a-d) 軟晶粒 29 和軟晶粒 30，選自 HT2。(a-d)軟晶粒 29 和軟晶粒 30（選自 HT2 軟晶粒 29 和軟晶粒 30 顯示基底-基底型滑移；（e-h）軟晶粒 31 和硬晶粒 32 選自 HT1 軟晶粒 31 和硬晶粒 32 顯示基底-棱鏡型滑移；(i-k) 選自 BT 樣品的硬晶粒 33 和硬晶粒 34 顯示基底-基底型滑移。BT 樣品中的硬晶粒 33 和硬晶粒 34 顯示基底-基底型滑移    

圖 10. (a) BT、HT1 和 HT2 樣品中不同轉移滑移模式的頻率。(b-d) BT、HT1 和 HT2 樣品的 m' 系數與 BT、HT1 和 HT2 樣品晶界取向偏差的關系

圖 11. (a) BT、(b) HT1 和 (c) HT2 樣品的晶界錯向分布。(d) 在軟-軟、軟-硬和硬-硬晶粒對中不同滑移傳遞模式的頻率    

圖 12. 顯示軟硬晶粒對在應變為 3% 和 8% 時不同類型晶粒對之間應變分布 (εxx) 演變的準原位 SEM-DIC 圖：(a) IPF 圖，(b, c) DIC 圖，(d)  SFbasal 分布和 (e, f) SEM 圖像；軟-軟晶粒對：(g) IPF 和 (h, i) DIC 圖；硬-硬晶粒對：(j) IPF 和 (k, l) DIC 圖

圖 13. (a) 3% 拉伸變形后選定晶粒對的 EBSD-IPF 圖和相應的 (b)SFbasal 圖。(c) 使用 g = [101?0] 時軟晶粒 41 的明場 TEM 圖像。(d)、(e) 使用 g = [112?0] 和 g =[0002] 時軟晶粒 42 的明場 TEM 圖像 圖 13. (a) 3% 拉伸變形后選定晶粒對的 EBSD-IPF 圖和相應的 (b) SFbasal 圖。變形。(c) 使用 g = [101?0] 時軟晶粒 41 的明場 TEM 圖像。(d)、(e) 使用 g = [112?0] 和 g = [0002] 時軟晶粒 42 的明場 TEM 圖像

圖 14. (a) 顯示 BT 樣品斷裂時 RD-TD 平面表面形態的低倍掃描電鏡圖像；(b) 5%拉伸應變后 BT 樣品的放大掃描電鏡圖像，對應的 (c) IPF 和 (d) SF 基底圖；(e) HT1 樣品斷裂時 RD-TD 平面上表面形貌的低倍掃描電鏡圖像；(f) 17%拉伸應變后 HT1 樣品的放大掃描電鏡圖像    

圖 15. (a) 感興趣區域的 IPF 圖，(b) 相應的 SFbasal 圖，以及 (c) 10%拉伸應變后的 SEM 顯微照片；（d）三個選定晶粒的 12 條可能軌跡的計算結果

表 3. 谷粒 48 的施密德因子計算值、谷粒 46 和 48 之間的 m'值、谷粒 47 和 48 之間的 m'值以及谷粒 48 的 Σm' 值、 以及晶粒 48 的 Σm' 值。(激活的滑移系統以藍色標出，SF、 m'和 Σm' 的最高值用紅色標出）

本研究設計并通過熱軋和再結晶退火制造出了一種新型取向異質結構鎂合金，該合金具有優異的強度和延展性組合。實驗觀察表明，延展性和強度的協同作用源于異質結構域之間的機械不相容性。基底晶粒和非基底晶粒之間的相互作用會影響晶粒內和晶粒間的變形行為。本研究的主要發現可歸納如下：            

(1)在所研究的合金中，軟域和硬域比例設計合理的取向異質結構（3:7，HT1 樣品）在強度和延展性方面表現出色：屈服強度、抗拉強度和延展性分別為 152MPa、234MPa 和 17.4%。我們的研究結果表明，取向異質結構具有優異的延展性，約為基底織構合金的 1.5 倍，同時強度沒有明顯降低。           

(2)HT1 樣品的高延展性歸因于基底（硬）晶粒和非基底（軟）晶粒之間強烈的晶間相互作用，這有利于激活非基底滑移和更均勻的塑性變形。請注意，軟晶粒首先變形，并在異質取向域之間產生應變梯度，從而促進相鄰硬晶粒的非基底滑移活動。此外，軟硬晶粒的均勻分布有利于局部應變在塊狀樣品中的均勻分散，從而延緩塑性不穩定性，防止宏觀裂紋的形成和擴展。         

(3)HT1 樣品的屈服強度沒有下降，這也源于取向異質結構，它可以在屈服過程中提供更高的 HDI 強度，抵消紋理弱化引起的軟化效應。此外，軟硬界面有效促進了位錯的產生和增殖，提高了加工硬化能力，使 HT1 樣品獲得了更高的抗拉強度。取向異質結構的強度改變取決于軟晶粒的體積分數。軟晶粒比例越高，晶間相互作用越弱，對 HDI 強化和加工硬化的貢獻越小。