导语：在本研究中，通过调整均匀化工艺，在挤压态Mg-9 Gd-4 Y-1 Zn-0.5Zr合金中产生了大量的片状γ'相，并均匀分布在晶粒内部值得注意的是，与含有块状长周期堆积有序（LPSO）相的合金相比，当在α-Mg基体中引入片状γ'相时，断裂韧性可达29.7 MPa·m1/2，提高了27%，这种上级抗断裂性能的主要原因是由于强烈的微观组织诱导的分层增韧。沿沿着γ'相界面产生的裂纹垂直于原始断裂面，由于片状γ'相的存在，断裂形态可以显著改变并且以深的韧窝和主裂纹的显著偏转为特征，在断裂面附近的变形显微组织的特征表明，扭折的激活和扭折的抑制，这种变形行为可以有效地阻止裂纹的扩展，从而使合金具有上级断裂抗力。此外，X射线计算机断层扫描分析显示了断裂试样中孔洞的分布和尺寸，表明长形孔洞优先平行于片层γ'相形核和扩展。因此，在三轴应力状态下的变形机制涉及片层γ'相诱导的分层、裂纹偏转以及空洞形成之间的复杂相互作用。通过采用定制的预处理热处理工艺，可以实现对显微组织内相组成的控制，从而提高镁合金的力学性能，以期对Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金的断裂行为有一个全面的认识，特别是对片层γ'相和LPSO相在整体力学性能优化中的协同作用的认识。

镁合金作为最轻的金属材料，以其优异的性能在新能源汽车、铁路、航空航天等领域受到广泛关注，可靠性和安全性是结构材料应用的基本条件，为满足这些实际应用需求，优化材料的整体力学性能，特别是在抗拉强度和断裂韧性方面，这是损伤容限的关键指标。

近年来，含有长周期堆积有序（LPSO）相的变形镁-稀土（RE）-锌（Zn）合金表现出优异的力学性能，研究表明LPSO相比α-Mg基体具有更高的杨氏模量（分别为75 ± 5 GPa和48 ± 4 GPa）。这种增强的模量可以主要归因于L12型短程有序（SRO）团簇的存在，LPSO相的形成可以有效地提高合金的强度，同时改善合金的塑性，这种双重增强作用对于要求强度和塑性平衡的轻质结构应用特别有利。LPSO相与α-Mg基体的相互作用仍然是研究的重点，以Mg-8.2Gd-3.8Y-1 Zn-0.4Zr合金为例，分析了其强化机制和变形行为通过热挤压和随后的时效处理开发了含有LPSO相的合金，并且其揭示了LPSO相在优化强度-塑性平衡中的作用，屈服强度为466 MPa，拉伸强度为514 MPa，断裂伸长率为14.5%，LPSO相通过颗粒形核（PSN）机制显著促进了挤压过程中的动态再结晶，这有利于组织细化，同时提高强度和塑性。总体而言，Mg-RE-Zn合金由于多种强化机制的协同作用而表现出优异的力学性能。除了沿着晶界分布的LPSO相外，晶粒内的纳米片层γ '相也因其通过增加基底滑移所需的临界分辨应力（CRSS）而提高强度的作用而众所周知，从而可以促进α-Mg基体中非基底滑移系统的活化。

非基底滑移系活性的增强有助于改善变形协调性，从而实现更好的载荷分配并提高整体力学性能。此外，Zn含量可以显著影响γ'相的体积分数。据报道，Zn含量的增加提高了γ'相的体积分数，这与Mg-5Gd-3 Y-xZn-0.5Zr合金的拉伸性能的提高有直接关系，这可归因于αMg基体的基体强化和与γ'相有关的非基体强化的结合。含LPSO和γ'相的Zn合金主要关注其强度和塑性，而其断裂韧性，特别是平面应变断裂韧性KIC，仍然相对缺乏研究，尽管它们在理解抗裂性和确保复杂载荷条件下构件的可靠性方面具有重要意义。结果表明，由于块状LPSO相的存在，Mg-5.5Gd-4.4Y-1.1Zn-0.5Zr合金的断裂韧性明显提高，这种块状LPSO相通过促进裂纹偏转而起到有效阻挡裂纹扩展的作用，在我们以前的工作中，已经证明了双峰组织和形变孪晶对Mg-9 Gd-4 Y-0.5Zr（wt.%）合金的断裂韧性起着至关重要的作用。此外，在Mg-Y-Zn合金中，当LPSO相的体积分数从0%增加到85%时，屈服强度从210 MPa增加到450 MPa，但这种强度的显著提高是以牺牲断裂韧性为代价的，当KIC从11.7 MPa·m^1/2降低到7.5 MPa·m^1/2时，合金的抗裂性降低。这种折衷表明需要在强化机制和抗裂性之间取得有效平衡，以优化镁合金的综合性能。α-Mg晶粒内的片层γ'相对断裂韧性的影响得到的关注有限，并且其对断裂机制（即裂纹萌生和扩展阻力）的潜在影响尚未被彻底研究。为了解决这些问题，先进的表征技术，如内部结构的三维重建结合原子尺度下的显微组织观察，可以提供有价值的见解，γ'相和块状LPSO相影响断裂行为的机制，这对于设计具有最佳强度，塑性和韧性平衡的Mg-RE-Zn合金至关重要。扩大其在高要求结构应用中的潜力。

本文采用水冷（QE）和水冷（FE）两种不同的冷却方式，通过均匀化处理控制块状LPSO相和片状γ'相的形成，系统研究了挤压态Mg-9 Gd-4 Y-1 Zn-0.5Zr（wt.%）合金的显微组织和断裂韧性的演变规律。揭示了LPSO相和γ'相对合金显微组织特征、裂纹扩展、断裂机制和增韧行为的影响。通过对Mg-RE合金断裂增韧机理的深入理解，探索在形变热处理前如何控制热处理（即均匀化过程中的冷却），从而优化相组成，提高Mg-RE合金的整体力学性能。

以上内容以“Microstructure tailoring and enhanced fracture toughness in as-extruded Mg-9Gd-4Y-1Zn-0.5Zr alloy via lamellar γ’ phase”发表在Journal of Magnesium and Alloys上。

链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221395672500221X

图1.均质化样品的OM图像：（a）水淬样品，（b）真空冷却样品。

图2.

挤压态合金的显微组织特征，（a，c）QE样品，（b，d）FE样品;（a，b）OM图像，（c，d）SEM图像。红色圆圈：变形晶粒，蓝色圆圈：DRX晶粒，黄色箭头：片状γ'相，红色箭头：块状LPSO相。

图3.挤压态合金的EBSD结果：（a，d）IPF图;（b，e）KAM图和（c，f）（0001）极图;（a-c）QE样品和（d-f）FE样品。

图4.（a，c）QE样品和（b，d）FE样品的TEM明场图像和相应的SAED图案;（a，b）变形晶粒区域，（c，d）DRX区域。

图5. QE和FE样品的拉伸性能：（a）工程应力-应变曲线，（b）拉伸强度和伸长率的列分布。

图6.挤压态样品的断裂韧性，（a）载荷-CMOD曲线，断裂表面的横截面轮廓和（b，d）QE样品和（c，e）FE样品的相应CLSM观察结果。

图7. QE和FE样品的断口形貌，（a，e）整个断裂表面，（b，c，f，g）SEM图像和（d，h）断裂区的三维形态;（a-d）QE样品，（e-h）FE样品。

图8.不连续断裂韧性测试中QE样品中平面截面的显微组织，（a）整个裂纹扩展路径，（b）主裂纹附近变形晶粒中的孪晶，（c）块体LPSO相诱导的微裂纹，（d）主裂纹尖端前方的微裂纹。

图9.有限元试样不连续断裂韧性试验中中平面截面的显微组织，（a）整个裂纹扩展路径，（b）二次裂纹附近含有γ '相的变形晶粒中的孪晶，（c）平行于γ'相的微裂纹，（d）裂纹尖端前方的微裂纹。

图10.二次裂纹附近孪晶和γ '相之间关系的TEM图像：（a，b）QE样品;（c，d）FE样品。

本文系统地研究了挤压态Mg-9 Gd-4 Y-1 Zn-0.5Zr（wt.%）合金中块状LPSO相和片状γ'相对断裂韧性的影响，并通过在热挤压前采用不同冷却速度（即水冷和炉冷）进行均匀化处理，成功地调控了合金中LPSO相和片状γ'相的组成，得到了以下主要结论：

(1)QE试样的显微组织主要由α-Mg基体和块状LPSO相组成，而QE试样内部则形成了密集且均匀分布的片层γ'相; QE和FE试样均呈现出由粗大的变形晶粒和细小的动态再结晶（DRXed）晶粒组成的双峰组织，值得注意的是，QE试样中的块状LPSO相促进了热挤压过程中的动态再结晶，而FE试样中的片状γ'相阻碍了动态再结晶，抑制了晶粒长大。

(2)与QE样品（YS为283 MPa，KIC为23.4 MPa·m1/2）相比，FE样品（YS为312 MPa，KIC为29.7 MPa·m1/2）的综合力学性能显著提高，FE样品的优异上级力学性能可归因于片层γ'相对位错运动的有效阻挡，片层γ'相不仅抑制了DRX晶粒长大，而且通过二次微裂纹的产生和主裂纹偏转等机制促进断裂过程中的能量耗散。

(3)X射线CT分析表明，挤压态Mg-RE-Zn合金的断裂行为受块状LPSO相和片层γ'相的不同韧化机制控制，在QE试样中，微裂纹倾向于沿着块状LPSO相形核和扩展，且这些相位于主裂纹的前方或平行于主裂纹，这可以为裂纹扩展提供容易的路径。这通过促进脆性破坏机制的发生而导致QE样品的断裂韧性降低。相反，在FE样品中，片层γ'相可以通过多种机制提高断裂韧性，包括产生二次微裂纹以消耗能量，以及使主裂纹路径偏转以阻止裂纹扩展，此外，γ'相和形变孪晶之间的相互作用通过在裂纹尖端形成额外的能垒而进一步有助于提高断裂韧性。基于这些协同机制，与QE样品相比，FE样品表现出上级抗断裂性和韧性。