近日，上海交通大学材料科学与工程学院曾小勤教授、王乐耘研究员团队在镁合金塑性调控机制研究方面取得重要进展，揭示了稀土元素Gd促进锥面<c+a>滑移的关键机制。相关成果以“Origin of enhanced <c+a> slip in Mg-Gd alloys”为题，发表于国际权威期刊International Journal of Plasticity。论文第一作者为上海交大材料学院博士研究生石东方，通讯作者为上海交大材料学院王乐耘研究员与王杰助理研究员。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2026.104702 

镁作为最轻的结构金属材料，在航空航天、轨道交通和便携电子等领域具有广阔应用前景。然而，其密排六方晶体结构导致室温下可启动的滑移系有限，塑性差、各向异性强，严重制约工程应用。其中，锥面<c+a>滑移是实现c轴协调变形的关键，但其激活应力高、难以启动，是提升镁合金延展性的核心瓶颈。

围绕这一关键问题，研究团队通过精细调控挤压工艺，构建了晶粒尺寸相匹配的Mg-1Al、Mg-1Zn和Mg-1Gd合金，实现了在排除晶粒尺寸影响条件下的严格对比分析。结合力学测试、晶体塑性模拟（EVPSC）、EBSD滑移迹线分析及TEM表征，系统揭示了不同合金体系的变形机制差异。

图1｜Mg-1Al、Mg-1Zn与Mg-1Gd合金的初始组织与力学性能对比，在晶粒尺寸匹配条件下，不同合金体系的显微组织特征及拉伸性能差异。

图2｜多尺度表征揭示不同合金的变形机制差异，结合EBSD、滑移迹线分析与TEM结果，对比Mg-1Al/Zn与Mg-1Gd中各类变形模式的活性。

研究发现，Mg-Gd合金表现出显著更高的<c+a>滑移活性、更优的应变硬化能力以及更好的塑性性能。相比传统Mg-Al和Mg-Zn合金，其<c+a>滑移临界分切应力更低，而基面滑移与孪生更难启动，从而使<c+a>滑移在变形过程中更加活跃。进一步研究表明，这种增强效应并非来源于单晶层面的本征性质变化。微柱压缩实验显示，在单晶Mg-Gd中<c+a>滑移仍需较高应力才能激活，提示多晶结构在其中发挥了关键作用。

通过原子尺度表征与理论计算，团队发现Gd元素在晶界处发生显著偏聚。这种偏聚能够改变晶界附近的局部结构和应力状态，降低<c+a>位错的形核能垒，从而显著促进其激活。基于此，研究提出了“晶界介导机制”，即晶界在Gd作用下成为高效位错源，主导<c+a>滑移的增强。

图3｜单晶与多晶中各滑移/孪生模式CRSS对比，揭示Mg-Gd合金中<c+a>滑移在多晶与单晶条件下的显著差异。

图4｜Mg-Gd合金中<c+a>滑移增强的晶界介导机制示意图，Gd在晶界偏聚降低位错形核能垒，从而促进<c+a>滑移激活。

该研究从多晶尺度出发，首次系统解释了稀土元素促进<c+a>滑移的争议问题，统一了单晶与多晶研究中的不同认识。研究结果表明，通过调控溶质元素在晶界的分布行为，有望实现对镁合金塑性和强度的协同优化。该成果为高性能轻量化镁合金的设计提供了新的理论思路，对推动镁合金在工程领域的应用具有重要意义。