摘  要 

界面溶质偏析已成为提升镁合金力学性能和热稳定性的关键微结构设计策略。本综述系统总结了镁合金中各类界面（包括孪晶界、同轴晶界、层错和相界）溶质偏析的原子尺度研究进展，阐述了特征界面构型及其相应的偏析行为，揭示了潜在的物理机制。此外，还深入讨论了溶质偏析对晶粒细化、织构控制、强塑性协同和热稳定性的影响，并批判性地审视了晶界偏析工程在镁合金基础研究和工业应用中面临的挑战。本文为通过晶界偏析工程开发高性能镁合金提供了可操作的指导。 

研究背景 

镁合金作为最轻的结构金属材料，在汽车、高铁、航空航天和电子通讯领域具有巨大的应用潜力。然而，与铝合金和钛合金相比，镁合金在室温下因独立滑移系有限而表现出较差的塑性和成形性，这严重制约了其更广泛的工业应用。微合金化和晶粒细化是两种常见的改善方法，分别通过固溶强化和Hall-Petch效应提升强度。近年来，异质结构设计等新兴策略也已被用于改善镁合金的力学性能。 

在众多微观组织调控手段中，界面溶质偏析作为一种原子尺度的设计策略，正受到越来越多的关注。溶质原子在界面处的偏析可以改变界面的能量状态、迁移能力和力学响应，从而影响合金的整体性能。本文系统综述了近年来关于镁合金中孪晶界、同轴晶界、层错和相界等各类界面处溶质偏析的原子尺度研究，涵盖了偏析构型、形成机制及其对力学性能和热稳定性的影响，旨在为通过晶界偏析工程开发高性能镁合金提供参考。  

图片导读

图1. HCP镁的孪晶结构：(a)晶体结构示意图；(b)沿[1̅210]带轴投影的原子构型。

图2. 镁合金中{101̅1}孪晶界的偏析：(a)Mg-Gd [58], (b)Mg-Ag [63], (c)Mg-Bi [67], (d)Mg-Nd [57], (e-1)-(e-3)Mg-Nd-Mn [57], (f-1)(f-2)Mg-Nd-Ag [55]。

图3. 镁合金中{101̅2}孪晶界的偏析：(a)Mg-Gd [58], (b)Mg-Ag [63], (c)Mg-Bi [67], (d)Mg-Nd-Mn [57], (e)Mg-Nd-Ag [55], (f)Mg-Gd-Y-Ag [73]。

图4. {101̅3}孪晶界的原子结构：(a)面内原子局部应变静水不变量(ALSHI) [58]；(b-1)(b-2)Mg-Gd合金 [58]；(c-1)-(c-3)Mg-Ag合金 [63]。

图5. 同轴晶界(CGB)形成过程示意图：(a)初始晶粒；(b)生成的{101̅1}一次孪晶；(c)同轴晶界。

图6. 沿[11̅20]带轴观察的镁合金中同轴晶界(CGB)偏析构型：(a-1)-(a-3)Mg-Ag合金中的小角度晶界(LAGB) [95]；(b-1)(b-2)Mg-Gd合金 [53]；(c-1)-(c-4)Mg-Nd-Mn合金 [93]。

图7. 相界偏析：(a)Mg-Sn-Zn合金 [118]；(b)Mg-Al-Sn-Ag合金 [120]。

图8. 孪晶界偏析能(Eseg)与原子半径的关系 [126]：(a){101̅1}孪晶；(b){101̅2}孪晶；(c){101̅3}孪晶。

结论与展望 

总结： 利用原子尺度表征技术，已在镁合金的孪晶界、同轴晶界、层错和相界中广泛观察到偏析现象。这些偏析的形成与溶质偏析能、界面化学键合及应变场密切相关。溶质偏析已成为调控镁合金微观组织和力学性能的有效策略，尤其在促进晶粒细化、控制织构、增强力学性能、实现超塑性和改善热稳定性方面效果显著。 

未来展望：开发三维随机界面结构分析技术： 当前研究多依赖二维HAADF-STEM，仅能表征特殊对称界面。需建立三维表征方法以深入理解随机高角晶界的结构特征和偏析行为。阐明偏析与力学性能的关系： 需系统研究不同温度下溶质偏析与晶界的相互作用，建立从原子尺度偏析结构到宏观力学行为的完整变形图谱。偏析与析出的动力学控制： 需要精确控制热处理工艺，在界面偏析与晶间析出之间实现优化平衡，避免过度时效导致脆化，同时确保充分的界面钉扎效果。