一、研究背景

国际环境法要求车辆碳排放进一步降低，因此，汽车行业对轻量化材料的应用需求增加。镁合金具有比钢和铝合金更低的密度、更高的比强度，引起了人们的极大关注。通过优化挤压工艺可以制备各种横截面形状的长条状产品，并且镁合金挤压产品的力学性能比铸造产品更加优异。然而，挤压镁合金具有强基面织构，导致其压缩屈服强度（CYS）和拉伸屈服强度（TYS）存在较大差异，且室温（RT）成形性较低，限制了其进一步工业应用。因此，降低屈服不对称性、提高挤压镁合金成形性有望克服上述缺点。

近日，韩国庆北大学Sung Hyuk Park教授课题组针对挤压纯Mg、Mg-5Gd合金和Mg-15Gd合金进行了室温拉伸和压缩实验，研究了Gd元素对挤压Mg合金的力学性能、屈服不对称性和应变硬化率的影响。研究表明，随着Gd含量从0增加到15 wt%，基面织构向挤压方向（ED）倾斜。由于纯Mg和Mg-5Gd合金中大多数晶粒取向有利于激活{10-12}拉伸孪晶，因此两种材料在压缩和拉伸过程中分别表现出孪晶和滑移主导的变形行为。相比之下，因为晶粒分布均匀以及柱面滑移抑制了{10-12}孪晶，Mg-15Gd合金在拉伸和压缩过程中均表现出滑移主导的变形行为。

二、图文导读

本文系统研究了挤压Mg合金的显微组织，结果如图1所示。挤压后，坯料的晶粒尺寸分别为116.8 μm、48.7 μm和47.3 μm。当Gd含量从0增加到5 wt%时，平均晶粒尺寸显著减小。从图1h可以看出，Mg-5Gd合金含有少量细小Mg5Gd沉淀相，大多数Gd原子溶解在Mg基体中形成固溶体。Mg-5Gd的晶粒细化主要归因于溶质阻力抑制了晶界迁移和Gd的晶界偏析。值得注意的是，尽管Mg-15Gd中的Gd溶质原子浓度明显高于Mg-5Gd，但它们的平均晶粒尺寸几乎相等。由于Gd在Mg中溶解极限为15.7 wt%，只有少量的Mg5Gd沉淀相在Mg-15Gd中沿挤压方向产生。因此，随着Gd含量进一步增加，沉淀诱导的晶粒细化作用在Mg-15Gd中并不明显。

图1（a-c）为均质Mg坯料的金相组织，（d-f）为挤压Mg-5Gd合金的金相组织

（g-i）为挤压Mg-15Gd合金的SEM图像

图2a和b分别为挤压Mg合金拉伸和压缩的真应力-应变曲线。研究发现，添加5 wt% Gd能明显提高材料的拉伸延伸率（TE）和压缩延伸率（CE），TE从5.8%提高到22.3%，CE从15.5% 提高到33.2%。然而，随着Gd的添加量从5 wt%增加到15 wt%，TE从22.3%下降到7.5%，CE从33.2%下降到16.7%。这是由于Gd的原子半径较大，在溶质原子周围形成了相当大的应变场，阻碍了位错运动，提高了塑性变形所需的临界剪应力。因此，尽管Mg-5Gd和Mg-15Gd的晶界强化和沉淀强化效果相似，但后者的固溶强化效果和相应的延性损失更大，其延展性降低。

图2 （a）挤压Mg合金的拉伸和（b）压缩真应力-应变曲线。

此外，本文研究了挤压Mg合金的织构演化，图3显示了（0001）和（10-10）织构以及晶粒c轴与ED夹角θ的分布。研究表明，纯Mg（0001）织构大多垂直于ED，最大织构强度达到11.6（图3a），θ低于55°的晶粒几乎不存在（图3d）。此外，当θ从55°增加到90°时，相应晶粒的占比逐渐增加，平均夹角达到78.7°。在Mg-5Gd中，（0001）织构略微向ED倾斜，其最大织构强度低于纯Mg。Mg-5Gd中θ高于70°的晶粒占比远低于纯Mg，且晶粒的c轴比纯Mg分布更均匀，平均偏角更低。在Mg-15Gd中，（0001）织构的最大强度方向几乎平行于ED（图3c）。与纯Mg和Mg-5Gd中晶粒的占比（随着θ的增加而增加）不同，Mg-15Gd中的晶粒占比在整个θ范围内分布更加均匀（图3d）。此外，随着 Gd含量从 0增加到5 wt%和 15 wt%，（10-10）织构的最大强度从4.6分别降低到3.2和2.6。

图3（0001）和（10-10）极图：（a）纯Mg，（b）Mg-5Gd和（c）Mg-15Gd

（d）晶粒面积分数与c轴-ED偏角的关系

通过计算ED拉伸和压缩下可能产生{10-12}孪晶的晶粒面积分数，本文进一步分析了Gd添加对挤压Mg合金中孪晶的影响，如图4所示。压缩时，纯Mg中几乎所有晶粒都发生孪生，且平均SF值高达0.41，有助于提高压缩变形过程中的应变硬化率。Mg-5Gd在拉伸时只有少部分晶粒（5.9%）可能发生孪生，其平均SF值为0.31，因此，在拉伸作用下Mg-5Gd的变形机制以位错滑移为主。压缩时，Mg-5Gd中可能发生孪生的晶粒面积分数为94.1%，表明{10-12}孪晶将是Mg-5Gd压缩时的主要变形模式。由于Mg-5Gd在压缩时{10-12}孪晶的活性比纯Mg更低，且基面滑移更容易激活，因此，Mg-5Gd在压缩下应变硬化率的增加量小于纯Mg，且CYS和屈服对称性更高。虽然Mg-15Gd中可能发生孪生的晶粒平均SF值与Mg-5Gd（0.34）相当，但其面积分数明显小于其他两种材料。因此，位错滑移是Mg-15Gd在压缩条件下的主要变形模式。拉伸时，Mg-15Gd中可能发生孪生的晶粒面积分数和平均SF值分别为44.3%和0.39，与压缩条件下的数据相似。由于大量Gd溶质原子引起了滑移增强和孪晶抑制效应，导致其在拉伸和压缩过程中应变硬化率逐渐降低。

图4（a-c）和（d-f）分别为沿ED拉伸/压缩时，{10-12}孪晶可能产生的晶粒（彩色晶粒）分布

（a，d）纯Mg，（b，e）Mg-5Gd和（c，f）Mg-15Gd，

（g）在拉伸和压缩下，{10-12}孪晶可能产生晶粒的平均施密特因子（SF）值

三、结论与展望

综上所述，本工作研究了Gd添加对挤压纯Mg的应变硬化和屈服不对称性的影响。随着Gd含量增加，挤压Mg合金的基面织构逐渐向ED倾斜。纯Mg和Mg-5Gd在压缩和拉伸中分别呈现出孪晶和滑移主导的变形行为，而Mg-15Gd则在两种加载条件下均表现为滑移主导。纯Mg由于拉伸和压缩时变形机制的差异，表现出较大的屈服不对称性（CYS/TYS = 0.4）。相比之下，由于Gd的添加，Mg-5Gd合金柱面滑移和孪生的CRSS差异减小，在压缩和拉伸下基面滑移易于启动晶粒的平均SF值相当，因此表现出更好的屈服对称性（CYS/TYS = 0.9）。由于Gd的进一步增加，Mg-15Gd柱面滑移和孪晶之间的CRSS差异进一步减小，压缩时基面滑移和孪晶的平均激活应力高于拉伸，表现出反向的屈服不对称性（CYS/TYS = 1.2）。

四、文章信息

该文章发表在《Journal of Magnesium and Alloys》2023年第11卷第6期：

[1]Gyo Myeong Lee, Sung Hyuk Park*.Underlying mechanisms of variation in yield asymmetry and strain hardening behavior of extruded pure Mg with Gd addition[J]. Journal of Magnesium and Alloys, 2023, 11(6): 2165-2181.

五、中文摘要

通过挤压方向（ED）拉伸和压缩实验，本文研究了Gd添加对纯Mg的应变硬化行为和屈服不对称性的影响。随着Gd含量增加，基面织构向ED倾斜，晶粒c轴的分布更加随机。拉伸时，所有材料应变硬化率降低，直至断裂。然而，在压缩下，纯Mg和Mg-5Gd的应变硬化率在变形初期增加，而在Mg-15Gd中则持续降低。纯镁表现出相当高的拉压屈服不对称性，压缩屈服强度（CYS）与拉伸屈服强度（TYS）之比为0.4。相比之下，Mg-5Gd表现出优异的屈服对称性，CYS/TYS为0.9，而Mg-15Gd表现出反向屈服不对称性，CYS/TYS为1.2。本文从晶体取向分布、基面滑移、柱面滑移、锥面滑移和{10-12}孪晶在拉伸和压缩作用下的相对激活应力等方面讨论了Gd-添加诱导材料变形行为的影响机制。

六、英文摘要

Effects of Gd addition on the strain hardening behavior and yield asymmetry of pure Mg are investigated by subjecting extruded pure Mg, Mg-5Gd, and Mg-15Gd (all in wt%) to tension and compression tests along the extrusion direction (ED). As the amount of Gd added to pure Mg increases, the basal texture tilts toward the ED and the distribution of c-axes of grains becomes randomized. Under tension, the strain hardening rates of all the materials decrease until fracture. However, under compression, the strain hardening rate increases in the early stage of deformation in pure Mg and Mg-5Gd, whereas it continuously decreases in Mg-15Gd. Pure Mg exhibits considerably high tension-compression yield asymmetry, with a compressive yield strength (CYS) to tensile yield strength (TYS) ratio of 0.4. In contrast, Mg-5Gd exhibits excellent yield symmetry with CYS/TYS of 0.9 and Mg-15Gd exhibits reversed yield asymmetry with CYS/TYS of 1.2. Underlying mechanisms of these drastically different Gd-addition-induced deformation behaviors of the materials are discussed in terms of the crystallographic distribution of grains and the relative activation stresses of basal slip, prismatic slip, pyramidal slip, and {10-12} twinning under tension and compression.