近日，团队在镁合金研究方向取得进展，在《Journal of Alloys and Compounds》上发表了题为“Current progress in strengthening, plastic deformation and thermal stability of Mg alloys”的综述文章。南京理工大学博士研究生李政濠为本文第一作者，赵永好教授和曹阳教授为论文共同通讯作者，河海大学和南京理工大学为共同通讯作者单位。 

前 言 

镁合金是一类轻质材料，仿佛为应对人类当前面临的能源危机而生。镁在地壳中储量丰富，且可从终端产品中回收利用。其密度仅为铝的三分之二、铁的四分之一，具备优异的电磁屏蔽性和阻尼能力，非常适合用于电子产品的包装和屏蔽；此外，镁合金具有良好的生物降解性和生物相容性，因此在骨科植入物中应用是安全的。上述优异性能使镁合金在多个研究领域和工业界中备受关注。

然而，在镁及其合金的所有潜在应用中，机械性能始终是核心关注点。目前，镁合金的绝对强度在主要结构材料中最低，难以满足承重结构部件的需求。此外，镁合金的密排六方（hexagonal close-packed, HCP）晶体结构和有限的易滑移系使其难以实现均匀的塑性变形，导致大多数情况下其延展性和成形性较差。与其他金属材料相似，镁合金同样面临强度与延展性之间的权衡，因此通过传统的冷加工方法提升镁合金强度极具挑战性。 

尽管困难重重，材料科学家们仍积极应对强度-延展性难题，开发出具有优异机械性能的镁合金。迄今为止，提升镁合金机械性能的有效方法依然是合金化和塑性变形。常见的镁合金合金化元素包括铝（Al）、锌（Zn）和钙（Ca），此外，如果成本不是主要考虑因素，稀土元素（RE）更具有优势。通过调节合金成分，可实现固溶强化、析出强化和/或晶界相强化效应，同时促进非基面滑移，降低塑性各向异性，从而提升延展性。塑性变形可引入晶界、孪晶界、位错和层错等缺陷，增强位错滑移阻力，从而提高镁合金的强度。晶粒细化不仅能提升镁合金强度，还可通过减少变形孪生倾向性和增加非基面滑移，提高延展性。

目前，严重塑性变形（severe plastic deformation, SPD）技术已在镁合金强化中取得显著成效。然而，SPD方法的机械配置旨在施加高应变，这在很大程度上限制了加工工件的尺寸和形状。近年来，旋锻（rotary swaging, RS）工艺因其高频脉冲  加载和高应变率能力，在镁合金加工中显示出良好前景。旋锻过程中，径向布置的模具不断冲击管状或棒状工件，施加径向压应力和应变，同时工件在轴向上自由延伸。旋锻设备的机械配置允许加工理论上无限长度的工件，并易于升级，集成自动进料和连续热处理等模块。 

当前已有不少综述论文集中探讨了传统变形和SPD加工方法及其对镁合金强化的作用机制。然而，随着近年来镁合金及其加工方法的快速发展，已发表的综述在某些方面已显陈旧，例如，针对具有优异热稳定性的镁合金及旋锻加工镁合金的系统性综述尚属空白。 

概  述 

本文综述了近年来镁及镁合金在加工技术、材料强化方法、变形机制及热稳定性方面的最新研究进展，并对镁合金的物理特性、多功能镁合金的开发及先进镁合金加工技术的发展前景进行了展望。具体来说，本文在第2节中首先回顾了镁合金的基本特性和性能，并对常用牌号的镁合金进行了分类。第3节系统综述了镁合金常见的强化技术，重点聚焦旋锻方法，并探讨了这些加工技术所引发的基本强化机制。第4节回顾了镁合金的变形机制，并基于变形机制探讨了提升镁合金延展性的方法。第5节讨论了镁合金的热稳定性，系统性综述了通过溶质偏聚、线性复相、析出相及增强颗粒等方法提升热稳定性的基本概念和重要性。第6节展望了先进镁合金及其工业加工技术的发展前景。 

 图1 SPD技术示意图：(a) 累积叠轧(accumulative roll bonding, ARB); (b) 往复挤压(cyclic extrusion-compression, CEC); 

(c) 等径角挤压(equal-channel angular pressing, ECAP); (d) 多向锻造(multi-directional forging, MDF);

 (e) 高压扭转(high-pressure torsion, HPT); (f) 搅拌摩擦加工(friction stir processing, FSP)  

图2 (a) 不同SPD技术  制备的各种镁合金的UTS（极限抗拉强度）和EF（伸长率）对比。

(b) 不同SPD技术制备的各种镁合金拉伸屈服强度（YS）与晶粒尺寸的关系汇总图。上方x轴表示晶粒尺寸，对应下方x轴的d-1/2 

 图3 旋锻处理Mg-Gd-Y-Zr合金的力学性能、微观结构及晶粒细化机制。(a) 拉伸性能；(b) 亮场TEM图像，显示旋锻处理Mg-Gd-Y-Zr合金中的超细/纳米晶粒；

(c) 旋锻处理Mg-Gd-Y-Zr合金的晶粒尺寸分布图；(d) 在6%变形时，形成了拉伸孪晶；

(e) 在16%变形时，孪晶被分割为较小的亚晶带，所选区域电子衍射(SAED)图案显示出小角度晶界(LAGBs)；

(f) 在6%变形时，在无孪晶区域观察到大量的初级变形带，SAED图案显示出LAGBs；

(g) 在16%变形时，位错阵列分割了初级变形带；(h, i) 在26%变形时，观察到一系列层错（SFs）  

图4 旋锻技术处理Mg-Li合金的力学性能和微观结构。(a) 原始样品和旋锻处理样品的拉伸性能；

(b) 原始样品和旋锻处理样品的实物照片；(c) 测量的孪晶和层错宽度；(d-f) 旋锻处理Mg-Li合金的TEM图像  

图5 位错分解机制示意图：(a)位错在交滑移过程中完全分解为一部分不可动的位错和一部分可滑移的位错；(b)位错的局部分解  

图6 Mg-Gd-Y-Ag合金中的界面偏析结构：(a) 在和孪晶界面形成的线性晶界相，以及孪晶界面的元素浓度分布；

(b) 不同退火温度下晶内析出相和线性晶界相的热稳定性 

结语与展望 

镁合金作为迄今为止最轻的金属结构材料，被视为具有潜在应用前景的绿色工程材料，可用于应对环境污染和能源危机。然而，实现镁合金大规模应用的前提是使其具备足够的强度和延展性。在过去20年中，许多研究者通过晶粒细化、合金化以及调整加工条件（应变速率和温度）等方法，对提高镁合金的机械性能进行了大量尝试。

作为这些尝试的一部分，各种镁合金成形工艺被采用和开发：(1) 传统金属成形工艺，包括挤压、轧制、锻造等；(2) 严重塑性变形工艺，包括累积叠轧、往复挤压、等径角挤压、多向锻造、高压扭转、搅拌摩擦加工等。近年来，采用旋锻制备块体纳米晶镁合金的新方法也得到了系统研究。

另一方面，许多稀土镁合金、无稀土镁合金及镁基复合材料相继被开发。通过实验和模拟技术，系统研究了镁合金及其复合材料在不同变形条件下的微观组织演变和变形机制，取得了大量研究成果。这些研究成果为未来高强度高韧性镁合金的开发提供了重要的指导。 

未来镁合金发展预测

1. 随着纳米级和微米级原位力学测试方法及热处理技术的发展，镁合金的变形机制和热诱导微观结构演变将得到更深入的理解。 2. 多功能镁合金及镁基复合材料的发展将持续加速，这些材料将同时具备高强度、高延展性、高韧性、耐腐蚀性、优异的热稳定性、阻尼性能、电磁屏蔽性能以及良好的电导率和热导率等综合性能。 3. 先进、低成本和高效的镁合金成形技术将不断发展，从而使制备具有工程应用价值的块体纳米晶镁合金成为可能，并实现镁合金的大规模应用。