添加锌对Mg-Pb合金时效硬化与析出相结构的影响 

何聪，胡仕宇，张达，曾卓然，陈厚文，徐世伟 

湖南大学，材料科学与工程学院 

湖南大学，整车先进制造技术全国重点实验室 

湖南大学，苏州研究院 

中国商用飞机有限责任公司北京民用飞机技术研究中心  

重庆大学，材料科学与工程学院，教育部轻合金材料国际合作联合实验室 

【文献链接】

 He, C., Hu, SY., Zhang, D. et al. Effect of Zn additions on age-hardening response and precipitate microstructure of Mg–Pb alloys. Rare Met. (2025). https://doi.org/10.1007/s12598-025-03530-5  

【背景介绍】

 时效热处理可有效提升镁合金强度，然而大多数非稀土镁合金的析出相尺寸粗大、数密度低，导致时效硬化效果通常不理想。本文提出了界面元素偏聚工程的研究策略，有效细化了析出相，提高了析出相数量密度，成倍提升了非稀土镁合金的时效硬化能力。结果表明，在Mg-17Pb (wt%)合金中，通过添加Zn元素，设计出强时效硬化型Mg-Pb-Zn合金。Zn元素在Mg2Pb析出相与Mg基体界面发生元素富集，使析出相由基面向非基面发生转变；Zn偏聚还降低析出相的界面能，促进析出相形核，抑制其粗化速率，显著提升了合金的时效硬化能力。合金经160 °C峰值时效处理后，Mg-17Pb-3Zn合金的硬度增加值是Mg-17b合金的2.2倍，到达峰值硬度的时间由3000 h缩短为200 h，仅为原来的1/15。本项研究成果为通过合金化手段设计强时效硬化型非稀土镁合金提供了新的思路。  

【文章亮点】

 1.通过界面Zn偏聚来降低析出相界面能，从而促进Mg2Pb析出相的形核，降低析出相粗化速率，提升峰时效析出相数量密度，最终使合金时效硬化效果提升两倍。 2.界面Zn偏聚使Mg2Pb析出相的惯习面由基面向非基面发生转变。 3.富Zn析出相先形成，后续作为Mg2Pb相的非均匀形核点，进一步提升了Mg2Pb析出相数量密度。 

【内容简介】 

日前，湖南大学徐世伟教授与重庆大学陈厚文教授在Rare Metals上发表了题为“  Effect of Zn additions on age-hardening response and precipitate microstructure of Mg-Pb alloys”的研究文章，提出了界面Zn元素偏聚工程的研究策略，有效细化了析出相、提高了相数量密度，成倍提升了Mg-Pb合金的时效硬化效果。 合金时效强化的改善主要源于两方面：一方面，γ-Mg₂Pb析出相数量密度增加了三倍；另一方面，富Zn棒状析出相协同强化Mg-Pb-Zn合金。另外，添加Zn后，γ析出相惯习面还从基面向柱面和锥面发生转变，并产生两种新型的晶体学取向关系。原子尺度表征结果表明，γ相与镁基体的界面处形成了Zn偏聚，该偏聚减缓了相粗化速率，细化了γ相尺寸，从而使其数量密度提升约三倍。此外，峰时效样品中还观察到一个非常有趣的析出相形态：几乎每个γ相都与一个棒状相相连。时效早期的微结构分析表明，富Zn棒状相可作为γ-Mg₂Pb相的异质形核点，这是含Zn合金γ相细化的另一原因。 

【图文解析】 

图1 添加不同含量Zn的Mg-Pb合金的160 °C时效硬化曲线 

结果表明，添加Zn显著提高了Mg-Pb合金的时效硬化效果。添加3 wt% Zn使硬度增加值从9.7 HV提高至21.3 HV，提升近两倍。同时，合金达到峰值硬度所需时间由3000 h缩短至200 h，显著加速合金时效析出动力学。 

图2 （A,B）0Zn与（C-H）3Zn合金的峰时效透射电镜表征分析 

如图2所示，在不含Zn合金中，析出相尺寸极为粗大，且绝大多数析出相沿着镁的基面析出，添加3wt %后，富Pb析出相（γ-Mg2Pb）尺寸得到显著细化，且析出相数量密度提升至不含Zn的3倍，富Pb析出相的惯习面由基面向非基面发生转变，即除了基面相外，还出现很多锥面相、柱面相（图2D）。此外，峰时效结构中还观察到一类极为有趣的析出相形态，每一个γ-Mg2Pb析出相总是贴着一根棒状β1’相。 

图3 Zn元素在γ-Mg2Pb基面析出相界面形成偏聚

图3结果表明，在峰时效3Zn合金中，基面相细化的原因是析出相界面产生元素富集，这些元素有效降低了界面能，提升了析出相数量密度，还有效钉扎了界面迁移，抑制了析出相粗化速率。后续表征还发现锥面相和多边形相的界面均发现了Zn偏聚，这表明Zn元素在析出相界面富集不仅能提高析出相数量密度，还可改变析出相的惯习面。 

图4 Mg-Pb-Zn合金在160 °C条件下的时效析出序列

时效早期结果还表明，β1’棒状析出相先形成，可后续作为Mg2Pb相的非均匀形核点。因此Mg-Pb-Zn合金的析出序列可归纳总结如下：由于扩散系数的差异，合金中先形成β1’棒状析出相，然后这些棒状β1’相还可以作为Mg2Pb相的非均匀形核点，进一步提高Mg2Pb析出相的数量密度。另外，与Mg2Pb相连的β1’相尺寸是单独分布的三倍，这表明Mg2Pb/β1’相界为一个低能量态界面，从而导致棒状β1’相长径比减小。 

【全文小结】 

1. Zn元素可以显著促进Mg-Pb合金的时效硬化效果，成倍提高峰值硬度，显著缩短到达峰值硬度所需时间。 2. 合金时效强化的改善主要源于两方面：一方面，γ-Mg₂Pb析出相数量密度增加了三倍；另一方面，富Zn棒状析出相协同强化Mg-Pb-Zn合金。 3.Zn元素在Mg2Pb析出相与Mg基体界面发生元素富集，使析出相由基面向非基面发生转变；Zn偏聚还降低析出相的界面能，促进析出相形核，抑制其粗化速率，最终使合金的时效硬化效果成倍提升。 4.棒状的富Zn析出相先在合金中析出，后续还作为Mg2Pb纳米相的非均匀形核点，进一步提升了Mg2Pb析出相数量密度。