一、研究背景

镁稀土（Mg-RE）合金，如Mg-Gd-Y-Zr和Mg-Gd-Y-Zn因其高强度和耐热性而在航空航天和汽车工业中备受关注。尽管有大量报道表明稀土元素对于合金的强度和塑性都有益处，但Mg-RE合金的强度-韧性仍会出现倒置现象。深入探究稀土元素如何影响Mg-RE合金塑性变形及相应的微观机理，对发展高性能镁合金至关重要。目前，稀土元素（RE）对Mg-RE合金孪晶变形的影响机制仍不清楚，在已报道研究中存在着不一致之处。

最近，华北电力大学李景利助理研究员、北京大学易新研究员、中国科学院金属研究所陈荣石研究员等人通过在铸造Mg-10Gd-3Y-0.5Zr（GW103）合金上进行了中断压缩实验，探究了随机晶粒取向的Mg-RE合金的孪生行为及变形机制，通过比较固溶态（T4）和峰值时效状态（T6）GW103合金中的孪晶演变，讨论了时效热处理和织构对稀土镁合金中孪晶演变的影响。研究结果显示，在T4状态下，ET2（{11–21}拉伸孪晶）在ET1（{10–12}拉伸孪晶）之前出现，而在T6状态下，ET1在ET2之前出现。这表明稀土溶质可以抑制形核ET1所需的原子重排，但不会对形核ET2产生影响。这些发现为人们进一步理解稀土元素对镁合金中孪晶形成的影响提供了新视角。

二、图文导读

通过对铸造GW103合金进行不同应变量的压缩实验，观测与表征了合金变形过程中的孪晶组织演变。如图1和图2所示，T4态GW103合金在室温压缩过程中的主要孪生类型为不常见的ET2，形成于塑性变形初期（2%左右）；随着塑性应变的增加ET1形核于ET2晶界处，并在塑性变形后期迅速长大，孪晶尺寸及体积分数超过ET2，可见稀土元素主要抑制了ET1的成核；ET2界面通过提供位错等缺陷结构，促进了ET1的异质成核。

通过对图1中线段的位置距离-取向差变化进行评估，发现ET2的生长主要发生在塑性变形的早期阶段（从2％到8％的塑性应变期间从1 μm增长到3 μm）。塑性应变达到8％后，ET2的增长受到抑制。与ET1的侵入性生长能力相比，ET2的扩展非常有限。通过分析图中晶粒4-6（G4-G6）的取向差角和取向差轴分布的反极图，可知ET2的增长可能被孪晶界向高角度（>15°）晶界的转变所抑制。在某些位置，随着应变的增加，ET1的增长也停止，孪晶界转变为普通晶界（见图1f中的G10晶粒），与上述ET2的孪晶界-晶界转变机制类似。进一步的EBSD分析表明，ET2可能是由晶粒扭折发展而来。

图1 T4态GW103合金在不同的塑性应变下的EBSD取向图（a-c）和IQ图（d-f）；压缩方向为水平， G1–G10，代表晶粒1–10

图2 室温压缩2%塑性应变后T4样品在TEM下的ET2孪晶形貌（a-b）及其衍射花样（c-d）；（a、c）和(b、d)对应的入射光束方向分别为[1–213]和[–1100]

研究通过对铸造Mg-Gd-Y-Zr合金进行时效处理，并进行压缩实验，观察了时效处理对孪晶行为的影响。结果显示，在T6态合金中，ET1孪晶在小应变下（2%）首先出现，而ET2孪晶数量较少，仅在压缩结束时（8%）出现（图3）。时效处理导致ET1和ET2两种孪晶类型的出现顺序发生变化。此外，实验结果表明在T4状态下，ET1的临界剪切应力高于ET2，而时效处理导致ET2的临界剪切应力相对于ET1有更显著的增加。尽管已有文献报道稀土溶质阻碍ET1孪晶的形成，但至今尚未揭示析出物诱导的孪晶临界剪切应力增加机制以及稀土溶质对ET2的影响。文章提供了一个自洽的定性解释，指出稀土溶质可能通过影响原子重排过程对ET1成核产生了抑制，而ET2受到的影响较小，因此在T4状态下，ET2先于ET1出现。此外，T4态向T6态转变过程中，基体中溶质浓度的降低而非沉淀析出相是影响两种孪晶临界剪切应力变化及大小顺序改变的主要因素。

图3 T6态GW103合金在不同塑性应变下的微观组织EBSD表征结果

孪晶界细化晶粒是孪晶强化的主要原因之一。然而，孪晶诱导的Hall–Petch尺寸强化对铸造GW103合金的贡献有限，与应力-应变曲线的凹形特征（意味着滑移主导的塑性变形机制）一致。根据孪晶的体积分数和平均Schmid因子（SF），计算了不同塑性应变下的孪晶应变。结果表明，T4和T6状态下的孪晶贡献的塑性应变最大占总塑性应变的18.7%和10%。结合GW103样品的SF分析（图4），发现在T4态和T6态的GW103合金中，许多激活孪晶变体的SF远远低于SFmax，表现出非Schmid效应。因此，该铸造合金中ET1和ET2主要通过协调塑性变形来对合金的强度和塑性产生贡献。

图4T4 态GW103样品在不同塑性应变（2%（a），8%（b）和16%（c，断裂处））下孪晶变体的选择和SF分析；

相邻晶粒的边界大致由虚线标示；父晶粒1–8（G1–G8）的取向分别标示为P1–P8

三、结论与展望

本研究通过对铸造镁稀土合金Mg-10Gd-3Y-0.5Zr（GW103）进行压缩试验和微观结构表征，深入探讨了稀土元素和沉淀物对孪晶演化的影响。结果显示，在固溶态（T4）和时效态（T6）下，均可观察到{10–12}和{11–21}拉伸孪晶（ET1和ET2），但其出现顺序存在差异。特别是在T4状态下，ET2先于ET1出现，这归因于稀土溶质导致孪生形核应力增加，阻碍了ET1的形成。随着时效处理的进行，稀土溶质的消耗增加了ET1成核率，导致在T6状态下ET1优先于ET2出现。虽然孪晶对镁合金的强度和塑性贡献有限，但它们通过非Schmid效应协调了塑性变形。研究结果揭示了稀土元素对镁合金中孪晶演化的影响机理，对开发高性能的镁稀土合金具有重要意义。

四、文章信息

该文章发表在《Journal of Magnesium and Alloys》2023年第11卷第7期：

[1] Jingli Li, Zhaohui Dong, Xin Yi*, Di Wu, Rongshi Chen*. Twin evolution in cast Mg-Gd-Y alloys and its dependence on aging heat treatment [J]. Journal of Magnesium and Alloys, 2023, 11(7): 2285-2298.

五、中文摘要

结合准静态室温压缩试验和微观结构表征，探究了稀土元素（RE）和沉淀物对固溶态（T4）和时效态（T6）铸造镁合金Mg-10Gd-3Y-0.5Zr（GW103）的孪晶演化的影响。发现在T4和T6状态下都可以出现{10–12}和{11–21}的拉伸孪晶（ET1和ET2），但是它们的出现顺序不同。随着时效处理的进行，稀土溶质的消耗可能会抑制ET1所需的原子重排，但不会影响ET2的形成，因此在T4状态下ET2先于ET1出现，在T6状态下ET1先于ET2出现。伸长孪晶主要通过非Schmid效应来协调塑性变形。研究结果揭示了稀土元素对镁合金中孪晶演化的影响机理，对开发高性能的镁稀土合金具有重要意义。

六、英文摘要

Effects of rare-earth (RE) and precipitates on twin evolution in cast Mg-10Gd-3Y-0.5Zr (wt.%) (GW103) alloys of solid solution (T4) and aged (T6) states are investigated performing quasi-static room temperature compression tests and microstructural characterization. It is found that both {10–12} and {11–21} extension twins (ET1 and ET2) can appear in the T4 and T6 states but with different emergence sequences. As the aging heat treatment leads to consumption of RE solutes which could inhibit atomic shuffling required for nucleation of ET1 but not ET2, ET2 occurs prior to ET1 in the T4 state, and ET1 emerges before ET2 in the T6 state. The extension twins here mainly coordinate the plastic deformation through the non-Schmid effect. Our results shed light on the influence of RE elements on twin evolution in magnesium alloys and have implications in developing high-performance Mg-RE alloys.

七、作者简介

第一作者/通讯作者简介：

李景钊（第一作者），华北电力大学助理研究员，主要从事镁合金强韧化设计与机理研究等。在Acta Materialia、JMPS、JMA等期刊发表高水平论文十余篇，主持国家自然科学基金青年基金项目、国家重点研发计划子课题、中央高校基本科研业务费JG项目、中国博士后科学基金面上项目、教育部产学合作协同育人项目等；曾获中国有色金属工业科技进步一等奖等。

易新（通讯作者），北京大学工学院力学与工程科学系研究员，博士生导师。长期从事金属材料和软物质的非线性力学研究，包括纳米结构金属材料界面力学与成形、膜壳与弹性纳米材料的非线性相互作用。获基金委优秀青年科学基金项目资助（2020年），获中国力学学会青年科技奖和全国徐芝纶力学优秀教师奖（2023年）。至今在国内外专业期刊发表SCI文章70多篇。担任Journal of Mechanics of Materials and Structures、Forces in Mechanics编委。

陈荣石（通讯作者），中科院金属所研究员，博导，主要聚焦在镁合金材料加工制备工艺、组织-性能关系、高品质镁合金结构零部件成形技术以及镁基复合材料的研发与制备。承担30余项项目，包括国家级和企业委托项目。发表论文120余篇，总引用近5000次，申请或获得专利20多项。其带领的团队研究成果不仅在学术界有所贡献，还推动了镁合金生产和应用技术的进步，为航天领域的火箭和航天器提供了关键支持。