一、背景与意义

低合金化镁合金因其低密度/低成本、耐腐蚀性能优异等优势已得到科研人员和企业的广泛关注。然而，镁合金多为密排六方结构，致使其普遍存在室温塑性和成形性差。其次，低合金化镁合金的第二相含量较低，无法单纯依靠时效或沉淀强化提高强度。引入细晶结构或者异质晶粒结构可以有效地提高低合金化镁合金的力学性能。同时，位错的强化效果也不容忽视，位错引起的强度增量与位错密度平方根成正比。然而，过高的位错密度会导致室温塑性的显著降低，需要合理地调控位错密度和位错类型以保证强度和塑性地协调。另外，晶界偏聚可以拖曳晶界运动，帮助调节或者控制晶粒结构，对设计综合性能优异的低合金化镁合金很有帮助。

基于此，哈尔滨工程大学张景怀教授联合香港理工大学杨许生教授等人总结了目前低合金化镁合金的研究现状以及晶界偏聚策略在其中的应用。讨论了偏聚原子的占位准则，分析了溶质偏聚对镁合金晶粒尺寸和生长的影响，包括单元素偏聚和多元素共偏聚行为，考虑了相干界面和非相干界面的差别。最后，提出了通过引入晶界偏聚制备高力学性能镁合金的新策略，为高性能低合金镁合金的设计提供一定指导。

二、图文导读

晶界偏聚是制备高力学性能低合金镁合金的有效策略，可在一定程度上弥补室温下强度低、塑性差、成形性不理想等缺点。本综述主要总结了近年来关于镁合金中的偏聚原子占位、晶界偏聚对静态再结晶和晶粒长大行为的影响、晶界偏聚策略设计的高性能低合金化镁合金等方面文献报道，具体内容如下：

偏聚原子的占位主要与原子半径和原子间的电负性差有关。“大”原子（原子半径大于镁原子）通常倾向于占据“拉伸位置”，“小”原子（原子半径小于镁原子）通常倾向于占据“压缩位置”。电负性比Mg高的溶质原子倾向于占据“压缩位置”，电负性比Mg低的溶质原子倾向于占据“拉伸位置”。但相关目前的研究主要集中在共格界面（如孪晶界面）。对非共格界面偏聚行为以及多元素共偏析行为的相关研究较少，这主要与其复杂性有关。

由于晶界为非共格界面，复杂度较高，晶界偏聚行为一般较为复杂，目前相关模拟和原子尺度证据相对较少。正是由于复杂的结构特征，才有可能提高晶界偏聚水平，优化偏聚行为。晶界偏聚在一定程度上可以增加晶界凝聚力，有助于激活非基面滑移，最终提高镁合金的室温塑性(图1)。目前已有关于其他金属中晶界偏析诱发脆性的研究，但对镁合金的相关报道较少。偏析的特征和含量是否对镁合金的塑性产生不利影响还有待进一步研究。

图1 低合金化高塑性镁合金

晶界偏聚可以抑制热变形或退火过程中的晶粒长大，有利于获得细晶组织。对于晶界偏聚较强的低合金镁合金，可通过退火等工艺控制细晶粒结构和位错密度/结构，以获得高强度和高塑性(图2和图3)。通过晶界偏聚策略引入具有弱化织构的异质晶粒有望有效改善镁合金的成形性。一方面，晶界偏聚引起的基面织构的弱化可以降低塑性各向异性；另一方面，通过控制晶界偏聚引起的晶粒长大而形成的异质晶粒将导致较大的加工硬化能力和较高的伸长率。

图2 已报道的高性能低合金化镁合金的屈服强度和断裂延伸率点图

图3 低合金化高强塑性镁合金

三、结论与展望

低合金化镁合金的研究和开发，取得了很大的进展，但是也同时面临许多挑战。首先，低合金化镁合金主要通过调控晶粒和位错结构实现高的力学性能，这就对工业生产过程提出了更为苛刻的要求。需要精准地控制变形温度和退火温度/时间等参数，且需要全面考虑导热速率以及工件大小和厚度问题适度调节具体工艺。精准地工艺控制是低合金化镁合金走向广泛应用的重要一环。其次，由于晶界偏聚（特别是多元素晶界共偏聚）的复杂性，目前尚未从原子尺度全面解析相关偏聚行为和机理，有待进一步研究。最后，晶界偏聚对塑性和强度的直接贡献尚不明确，需要进一步地探究。

四、文章信息

该文章发表在《Journal of Magnesium and Alloys》2023年第12卷第5期：

[1] Zhi Zhang, Jinshu Xie, Jinghuai Zhang*, Xu-Sheng Yang*, Ruizhi Wu. Towards designing high mechanical performance low-alloyed wrought magnesium alloys via grain boundary segregation strategy: A review [J]. Journal of Magnesium and Alloys, 2024, 12(5): 1774-1791.

五、中文摘要

低合金化镁合金已成为极具发展前途的轻量化材料之一。然而，绝对强度低、室温塑性和成形性差严重限制了其进一步应用。恰当地调控低合金化镁合金的晶粒尺寸和分布有望应对上述挑战。晶界偏聚已被证实是有效地调控方式。本综述全面总结了偏聚原子的分布准则以及溶质偏聚对镁合金晶粒尺寸和生长的影响。分析涵盖单元素偏聚和多元素共偏聚行为，考虑了相干界面和非相干界面。此外，我们介绍了通过引入晶界偏聚制备的高强度低合金化变形镁合金，并分析了晶界偏聚对材料性能的潜在影响机制。基于这些研究，我们提出了通过引入晶界偏聚设计具有理想力学性能（高强、高塑性、高成形性）镁合金的策略。本综述的结果有助于加深对镁合金晶界工程的理解，并为未来的合金设计和优化提供新的见解。

六、英文摘要

Low-alloyed magnesium (Mg) alloys have emerged as one of the most promising candidates for lightweight materials. However, their further application potential has been hampered by limitations such as low strength, poor plasticity at room temperature, and unsatisfactory formability. To address these challenges, grain refinement and grain structure control have been identified as crucial factors to achieving high performance in low-alloyed Mg alloys. An effective way for regulating grain structure is through grain boundary (GB) segregation. This review presents a comprehensive summary of the distribution criteria of segregated atoms and the effects of solute segregation on grain size and growth in Mg alloys. The analysis encompasses both single element segregation and multi-element co-segregation behavior, considering coherent interfaces and incoherent interfaces. Furthermore, we introduce the high mechanical performance low-alloyed wrought Mg alloys that utilize GB segregation and analyze the potential impact mechanisms through which GB segregation influences materials properties. Drawing upon these studies, we propose strategies for the design of high mechanical performance Mg alloys with desirable properties, including high strength, excellent ductility, and good formability, achieved through the implementation of GB segregation. The findings of this review contribute to advancing the understanding of grain boundary engineering in Mg alloys and provide valuable insights for future alloy design and optimization.

七、作者简介

第一作者/通讯作者简介：

张志（第一作者），香港理工大学工业及系统工程系博士后。主要从事镁合金微观结构、力学性能和变形机制等方面的研究。以第一作者在J Magnes. Alloy., Int. J. Plasticity, Scripta Mater.等知名期刊发表SCI论文8篇，其中多篇入选ESI热点/高被引论文。获得国际镁学会2023年度优秀学位论文奖。

张景怀（通讯作者），哈尔滨工程大学教授、博士生导师，主要从事微观结构调控发展高性能镁合金应用基础研究工作。主持和参与国家自然科学基金、国家重点研发计划、领域基金重点项目等10余项国家级项目。近年来在Nature Communications、International Journal of Plasticity、Corrosion Science、Scripta Materialia、Journal of Magnesium and Alloys等共发表学术论文150余篇，16篇论文入选ESI热点/高被引论文，6篇论文获国际期刊/学会最佳论文奖，连续5年入选全球前2%顶尖科学家榜单。

杨许生（通讯作者），香港理工大学副教授，博士生导师。主要从事纳米结构金属材料原子尺度微观结构演化和马氏体相变、服役行为及其微观机理等研究。已在金属冶金、固体力学以及塑性变形等领域发表学术论文110余篇。主持承担包括国家自然科学基金（NSFC）青年科学基金项目和面上项目、香港研究资助局(RGC)项目、香港创新科技署(ITC)项目，广东省自然科学基金面上项目，以及深圳市科创委面上项目等竞争性科研项目10余项。担任多个国际学术期刊编委、青编编委和客座编辑，以及国际学术会议大会主席和组织委员会主席等。