文章导读

尽管异构设计策略在提升金属材料性能方面已被广泛应用，但在镁合金中成功构建取向型异构材料的研究仍然较为稀缺。本研究以Mg–2.9Y合金为对象，采用三轴循环压缩（TCC）和额外单向压缩工艺，成功制备了具有双峰晶粒分布的取向型异构材料。通过微观表征与晶体塑性有限元（CPFE）模拟分析，发现软取向型异构材料在拉伸过程中发生了显著的由软向硬的取向转变，激活了非基面<a>滑移系。这一特性显著提升了软硬域的协调变形能力，并产生了持久的异质变形诱导（HDI）强化效应。该研究为非均匀密排六方材料的设计与开发提供了新的思路和重要指导。

关键词：镁合金、异构、取向、晶体塑性有限元模拟

Citation: Yuliang Yang, Yuxin Liu, Zhufeng He, Ye Yuan, Lifang Sun, Hao Zhou, Shuang Jiang, Nan Jia. Micromechanical behavior and heterogeneous deformation induced hardening of a novel orientation-heterostructured Mg-Y alloy[J]. Materials Futures. DOI: 10.1088/2752-5724/ae324c

文章亮点

1、基于微结构表征与晶体塑性有限元模拟分析，系统揭示了软、硬取向型异构材料在拉伸载荷下的微观力学行为差异；/2、明确了材料在压缩制备过程中的取向转变来源以及拉伸载荷下由晶粒转动引起的滑移系再分配机制，揭示了取向型异构材料中HDI应力演化原因；/3、发现硬取向促进柱面<a>和锥面<a>滑移；软取向因{10-12}孪晶诱发取向由软向硬转变，激活非基面<a>滑移，增强软域和硬域间的协调变形能力。

图1. 两种取向异构材料的微观组织、宏观织构、形变组分、力学性能及等效应力、应变演化

研究背景

在能源危机和全球变暖背景下，发展轻量化、高强度结构材料已成为材料科学的重要目标。镁合金因密度低、比强度高及环境友好等优势，在航空航天、交通运输和电子产品领域具有广阔应用前景。然而，受密排六方（HCP）结构限制，镁合金室温下滑移系有限，易形成强基面织构，导致其塑性和冷加工性能较差，严重制约工程应用。

近年来，异构设计策略通过在材料内部构建软域与硬域，利用非均匀变形产生的HDI应力，实现强度与塑性的协同提升。然而，镁合金的异构设计多集中于晶粒尺寸或析出相的非均匀性，基于晶体取向调控的研究仍较为有限。与此同时，镁合金中滑移与孪生协同作用复杂，使得微观变形机制的定量解析面临挑战。因此，结合微观表征与晶体塑性有限元模拟，系统研究取向型异构材料的微观变形行为与强韧化机制，这对开发高强高塑性镁合金具有重要意义。

本文要点

1、新型取向型异构镁合金的构建及其对宏观力学行为的影响

通过TCC及其后续单向压缩处理，在Mg–2.9Y合金中成功构建了两种具有双峰晶粒尺寸分布但取向特征显著不同的取向型异质结构（图2(a)和(b)）。在无后续热处理条件下，沿挤压方向拉伸时，两种取向型异构材料表现出截然不同的力学性能与加工硬化行为。其中，以硬取向为主的5 C材料表现出高屈服强度但加工硬化能力有限（图2(c)和(e)）。相比之下，软取向主导的5 C+A材料虽屈服强度较低，但展现出更高的均匀延伸率和显著增强的加工硬化能力（图2(a)和(b)）。

图2. 两种取向型异构材料的微观组织及力学性能。(a) 5 C材料的微观组织特点；(b) 5 C+A材料的微观组织特点；

(c) 工程应力-工程应变曲线; (d) 真应力-真应变曲线; (e) 加工硬化率曲线。

2、额外压缩过程中孪晶主导的取向转变机制

通过实验表征与晶体塑性有限元模拟相结合，明确了额外单向压缩过程中孪晶激活在取向转变中的主导作用。对5 C材料沿A面压缩时，大量{10-12}拉伸孪晶被激活，以适应HCP晶胞沿c轴方向的应变需求（图3）。{10-12}孪晶的形成不仅提供塑性剪切，还会诱导晶粒发生显著旋转，使原本以<0002>⊥ED为主的硬取向逐步向<0002>∥ED的软取向转变（图3）。这一孪晶诱导的取向重排机制是5 C+A材料软取向形成的根本来源，这也是5 C+A材料在后续拉伸中表现出卓越加工硬化能力的关键因素。

图3. CPFE预测的5 C材料沿A面压缩过程中的微观结构演化 (a1-a5) 孪晶系统的塑性剪切分布; (b1-b5) 取向随压缩应变的演化;

 (c1-c5) (0001)极图; (a1-c1) ε=0.01; (a2-c2) ε=0.05; (a3-c3) ε=0.075; (a4-c4) ε=0.10; (a5-c5) ε=0.15

3、拉伸过程中取向演化与滑移系再分配机制及HDI硬化持续增强机理

在沿挤压方向的拉伸变形过程中，软取向型的5 C+A材料由于拉伸过程中{10-12}拉伸孪晶的不断产生以及晶粒转动效应，材料中的软取向与硬取向晶粒在细晶区和粗晶区之间呈现出动态转化特征（图4），维持了较高的应变梯度，从而持续产生几何必需位错（GNDs）并增强HDI应力。此外，取向的连续变化显著改变了各滑移系的施密特因子分布，从而引发滑移系的再分配。随着变形的推进，非基面<a>滑移（包括柱面和锥面<a>滑移）逐渐被激活（图4）。非基面滑移的增强有效弥补了基面滑移单一主导所带来的变形不相容问题，显著提高了软域与硬域之间的协调变形能力。上述取向演化、滑移系再分配与位错塞积的耦合作用，使材料在整个塑性变形阶段保持持续增强的HDI应力，从而获得优异的加工硬化能力和均匀塑性变形行为。

图4. 由CPFE预测的5 C+A材料在不同拉伸应变下细晶区和粗晶区的微观结构演化(a1-a6) 细晶区取向分布图;

 (b1-b6) 细晶区极图; (c1-c6) 细晶区柱面<a>滑移的施密特因子分布图; 

(d1-d6) 粗晶区取向分布图; (e1-e6) 粗晶区极图; (f1-f6) 粗晶区柱面<a>滑移的施密特因子分布图

4、对HCP金属强塑协同设计的启示

本研究表明，相较于传统基于晶粒尺寸或析出相分布的异构设计策略，取向型异构及其在变形过程中的动态演化对HCP金属的力学性能具有更为深远的影响。通过孪晶诱导取向调控和滑移系再分配，可有效促进多种形变机制协同开动，显著提升镁合金的变形协调性和加工硬化能力。该工作为突破镁合金强度与塑性倒置关系、以及设计高性能强各向异性HCP金属提供了新的理论依据和设计思路。

总结与未来展望

本文通过对Mg–2.9Y（wt.%）合金施加TCC变形，成功构建了两种不同的取向型异构材料。结合微观组织表征与CPFE模拟，系统讨论了应力/应变分布及晶体取向对这两种异构材料微观力学行为的影响。通过阐明压缩制备过程中晶粒取向的演变以及拉伸加载过程中晶粒转动引起的滑移系重分配，揭示了取向异构结构中HDI应力演化的内在机制。本研究提出的取向异构设计策略为克服镁合金“强塑性失配”难题提供了新路径，并为高性能HCP金属的设计与开发提供了重要理论依据。

本项目得到科技部重点研发计划项目（2021YFA1200203）和国家自然科学基金项目（52371097, 51922026）的资助。

作者简介

第一作者—杨玉良，博士，毕业于东北大学材料系，师从贾楠教授。研究方向为高性能异构镁合金的微观组织调控与强韧化。以第一作者在Journal of Magnesium and Alloys、Journal of Materials Science & Technology、Materials Futures等中科院一区刊物发表论文多篇，研究成果涉及异构镁合金的强韧化机制、取向与界面调控策略等。

通讯作者—贾楠，教授、博士生导师，国家级青年人才入选者，德国洪堡学者。聚焦工程材料研究前沿科学问题，针对多种双相钢、金属基复合材料、镁合金和高熵合金等的各向异性微观力学行为、织构特征演化和剪切带变形机制等关键科学问题，对变形过程中材料的微观应力和微观结构演化开展了系统的实验表征与数值模拟研究，在微观形变机理和模型开发方面取得多项创新成果。在Science Advances、Acta Materials等材料顶刊发表学术论文110余篇，3篇入选ESI高被引论文，2022-2025年连续入选“全球前2%顶尖科学家榜单”。研究成果被收录于国际经典教材《Physical Metallurgy》（Elsevier出版社）和维基百科英文网站的“剪切带”（Shear band）词条解释。担任Inter. J. Miner. Metall. Mater.期刊编委, J. Mater. Sci. Technol.和Mater. Res. Lett.等期刊青年编委。

通讯作者—周浩，研究员，博士生导师，现任辽宁材料实验室异构材料研究部PI。研究聚焦于纳米异质结构金属材料的设计与性能优化以及原位透射电子显微镜表征技术，尤其在异质结构体系的多尺度协同变形与强化机制方面有多项突出研究成果。主持多个国家自然科学基金和辽宁省杰出青年基金项目。在Nat. Mater.、Sci. Adv.和Acta Mater.等国际顶尖期刊发表160余篇论文，他引超过8200次。现任Mater. Res. Lett.期刊学术编辑。