Mg-RE-Zn系合金中長周期堆垛有序相的調(diào)控及力學(xué)性能關(guān)聯(lián)研究一、引言1.1研究背景與意義鎂合金作為目前最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，因其密度低、比強(qiáng)度和比剛度高、阻尼性能好、電磁屏蔽能力強(qiáng)以及易于回收等一系列優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、汽車、電子等領(lǐng)域展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景，被譽(yù)為“21世紀(jì)的綠色工程材料”。然而，由于鎂合金具有密排六方（HCP）晶體結(jié)構(gòu)，獨(dú)立滑移系較少，這使得其室溫塑性變形能力較差，強(qiáng)度和韌性也有待進(jìn)一步提高，嚴(yán)重限制了其在一些對(duì)材料性能要求較高領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。為了改善鎂合金的綜合性能，科研人員進(jìn)行了大量的研究工作。其中，合金化是一種常用且有效的方法。在眾多合金體系中，Mg-RE-Zn系合金因其優(yōu)異的綜合力學(xué)性能而受到了廣泛關(guān)注。稀土元素（RE）的加入可以細(xì)化鎂合金的晶粒，提高其強(qiáng)度和耐熱性能；鋅（Zn）的添加則可以與稀土元素形成多種金屬間化合物，進(jìn)一步強(qiáng)化合金。在Mg-RE-Zn系合金中，長周期堆垛有序（LPSO）相的出現(xiàn)為提升合金性能提供了新的途徑。LPSO相是一種特殊的晶體結(jié)構(gòu)，其原子堆垛方式不同于傳統(tǒng)的鎂合金相結(jié)構(gòu)。這種相具有獨(dú)特的層狀有序結(jié)構(gòu)，通常由鎂原子層和富含稀土元素及鋅原子的層交替排列而成。LPSO相的存在對(duì)Mg-RE-Zn系合金的力學(xué)性能有著顯著的影響。一方面，LPSO相可以通過多種強(qiáng)化機(jī)制來提高合金的強(qiáng)度。例如，其本身具有較高的硬度和強(qiáng)度，能夠作為第二相粒子阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)第二相強(qiáng)化；LPSO相的層狀結(jié)構(gòu)可以有效地阻礙位錯(cuò)滑移，增加位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，提高合金的強(qiáng)度。另一方面，LPSO相還可以通過促進(jìn)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生來細(xì)化晶粒，實(shí)現(xiàn)細(xì)晶強(qiáng)化，進(jìn)一步提高合金的強(qiáng)度和韌性。研究表明，在一些Mg-RE-Zn系合金中，當(dāng)LPSO相的含量和分布適當(dāng)時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到500MPa以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)鎂合金的強(qiáng)度水平。盡管LPSO相能夠顯著提升Mg-RE-Zn系合金的力學(xué)性能，但目前對(duì)于LPSO相的形成機(jī)制、調(diào)控方法以及其與合金力學(xué)性能之間的內(nèi)在關(guān)系仍缺乏深入系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。不同的制備工藝和合金成分會(huì)導(dǎo)致LPSO相的形態(tài)、尺寸、分布以及含量產(chǎn)生很大差異，進(jìn)而對(duì)合金的力學(xué)性能產(chǎn)生不同的影響。因此，深入研究Mg-RE-Zn系合金中LPSO相的調(diào)控及其對(duì)力學(xué)性能的影響具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。從理論意義層面來看，深入探究LPSO相在Mg-RE-Zn系合金中的形成機(jī)制、生長規(guī)律以及與位錯(cuò)、晶界等晶體缺陷的相互作用機(jī)制，有助于進(jìn)一步完善鎂合金的強(qiáng)化理論，豐富材料科學(xué)領(lǐng)域中關(guān)于復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的研究內(nèi)容，為新型鎂合金材料的設(shè)計(jì)和開發(fā)提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。在實(shí)際應(yīng)用方面，通過對(duì)LPSO相的有效調(diào)控，可以顯著提高M(jìn)g-RE-Zn系合金的力學(xué)性能，從而拓展鎂合金在航空航天、汽車制造等高端領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。在航空航天領(lǐng)域，對(duì)材料的輕量化和高強(qiáng)度要求極為苛刻，高性能的Mg-RE-Zn系合金有望用于制造飛機(jī)的機(jī)翼、機(jī)身結(jié)構(gòu)件以及發(fā)動(dòng)機(jī)零部件等，在減輕結(jié)構(gòu)重量的同時(shí)提高其承載能力和可靠性，進(jìn)而降低能耗、提高飛行性能。在汽車工業(yè)中，采用Mg-RE-Zn系合金制造汽車零部件，如發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、變速器殼體等，不僅可以減輕汽車自重，提高燃油經(jīng)濟(jì)性，還能減少尾氣排放，符合當(dāng)前汽車行業(yè)節(jié)能減排的發(fā)展趨勢(shì)。此外，在電子設(shè)備領(lǐng)域，鎂合金良好的電磁屏蔽性能和散熱性能使其成為制造手機(jī)、電腦等電子產(chǎn)品外殼的理想材料，通過優(yōu)化Mg-RE-Zn系合金的性能，可以進(jìn)一步提升電子產(chǎn)品的綜合性能和市場(chǎng)競(jìng)爭力。綜上所述，開展Mg-RE-Zn系合金中LPSO相的調(diào)控及其對(duì)力學(xué)性能影響的研究，對(duì)于推動(dòng)鎂合金材料科學(xué)的發(fā)展以及拓展其在各領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。1.2Mg-RE-Zn系合金及LPSO相概述Mg-RE-Zn系合金是以鎂（Mg）為基體，添加稀土元素（RE）和鋅（Zn）形成的一類合金。稀土元素種類繁多，常見添加到鎂合金中的有釔（Y）、釓（Gd）、鏑（Dy）、鉺（Er）等。這些稀土元素原子半徑較大，與鎂原子半徑存在一定差異，在合金中可產(chǎn)生固溶強(qiáng)化效果。當(dāng)稀土元素溶解于鎂基體中時(shí)，會(huì)使鎂基體晶格發(fā)生畸變，增加位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，從而提高合金的強(qiáng)度和硬度。例如，在Mg-Gd系合金中，隨著Gd含量的增加，合金的室溫抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都有顯著提升。同時(shí)，稀土元素在晶界處的偏聚可以阻礙晶界的遷移，抑制晶粒的長大，細(xì)化合金的晶粒組織。細(xì)晶強(qiáng)化是提高材料綜合性能的重要途徑之一，細(xì)小的晶粒可以增加晶界面積，晶界對(duì)變形的阻礙作用更強(qiáng)，使合金在提高強(qiáng)度的同時(shí)，韌性也能得到一定程度的改善。此外，稀土元素還可以降低鎂合金在液態(tài)和固態(tài)下的氧化傾向，提高合金的抗氧化性能，增強(qiáng)其在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中的穩(wěn)定性。鋅（Zn）在Mg-RE-Zn系合金中也起著重要作用。Zn與Mg、RE元素之間可以形成多種金屬間化合物，這些金屬間化合物彌散分布在鎂基體中，能夠有效地阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生第二相強(qiáng)化作用。在Mg-Zn-Y系合金中，會(huì)形成W相（Mg?Zn?Y?，立方結(jié)構(gòu)）、I相（Mg?Zn?Y，二十面體準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)）和X相（Mg??YZn，長周期堆垛有序結(jié)構(gòu)，即LPSO相）等金屬間化合物。這些金屬間化合物具有較高的硬度和強(qiáng)度，作為第二相粒子，它們與鎂基體之間存在明顯的界面，位錯(cuò)在運(yùn)動(dòng)過程中遇到這些粒子時(shí)，需要繞過或者切過它們，從而增加了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的難度，提高了合金的強(qiáng)度。同時(shí)，一些金屬間化合物在高溫下具有較好的穩(wěn)定性，能夠提高合金的高溫性能，使Mg-RE-Zn系合金在高溫環(huán)境下仍能保持較好的力學(xué)性能。LPSO相是Mg-RE-Zn系合金中一種具有特殊晶體結(jié)構(gòu)的相，其原子堆垛方式呈現(xiàn)出長周期的有序排列，與傳統(tǒng)的鎂合金晶體結(jié)構(gòu)不同。LPSO相的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)主要表現(xiàn)為沿著密排六方（HCP）結(jié)構(gòu)的c軸方向，存在周期性的堆垛層錯(cuò)，并且伴隨著Zn和Y等合金元素在特定原子面上的富集。在18R-LPSO相中，其堆垛順序?yàn)锳BCACBABCBCABACBACB，其中A、B、C分別代表不同的原子層，這種復(fù)雜的堆垛方式使得LPSO相具有獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)。LPSO相的形成需要一定的條件，合金成分是影響LPSO相形成的關(guān)鍵因素之一。當(dāng)合金中稀土元素和鋅元素的含量比例適當(dāng)時(shí)，才有利于LPSO相的生成。在Mg-Y-Zn合金中，當(dāng)Y含量高于Zn含量，且Y/Zn原子比達(dá)到一定范圍時(shí)，X相（即LPSO相）更容易形成。冷卻速度對(duì)LPSO相的形成也有重要影響，快速冷卻有利于LPSO相的析出。在快速凝固過程中，原子擴(kuò)散受到抑制，溶質(zhì)原子來不及均勻分布，更容易在某些區(qū)域富集，從而促使LPSO相的形成。一些研究通過快速凝固技術(shù)制備Mg-RE-Zn系合金，成功獲得了大量的LPSO相，顯著提高了合金的力學(xué)性能。LPSO相在Mg-RE-Zn系合金中對(duì)力學(xué)性能有著多方面的重要影響。從強(qiáng)化機(jī)制角度來看，LPSO相本身具有較高的硬度和強(qiáng)度，作為第二相粒子彌散分布在鎂基體中，能夠阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)第二相強(qiáng)化。其層狀有序結(jié)構(gòu)可以有效地阻礙位錯(cuò)滑移，位錯(cuò)在遇到LPSO相時(shí)，需要消耗更多的能量才能繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，從而提高了合金的強(qiáng)度。有研究表明，在含有LPSO相的Mg-Zn-Y合金中，隨著LPSO相體積分?jǐn)?shù)的增大，合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。LPSO相還可以通過促進(jìn)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶來細(xì)化晶粒，實(shí)現(xiàn)細(xì)晶強(qiáng)化。在熱變形過程中，LPSO相可以作為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的形核核心，促進(jìn)新晶粒的形成，同時(shí)阻礙再結(jié)晶晶粒的長大，使合金獲得細(xì)小均勻的晶粒組織，進(jìn)而提高合金的強(qiáng)度和韌性。此外，LPSO相的存在還可以改善合金的塑性變形能力，通過增加位錯(cuò)的錐面滑移、協(xié)調(diào)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)以及抑制變形孿晶的長大等方式，提高合金的塑性。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容合金成分對(duì)LPSO相形成與演變的影響：設(shè)計(jì)一系列不同稀土元素（如Y、Gd、Dy等）和鋅元素含量配比的Mg-RE-Zn系合金，通過熔煉、鑄造等工藝制備合金試樣。利用X射線衍射（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）等分析手段，研究合金成分變化對(duì)LPSO相的形成溫度、形成數(shù)量、晶體結(jié)構(gòu)（如18R、14H等不同類型LPSO相的占比）以及相形態(tài)（塊狀、片狀、纖維狀等）演變的影響規(guī)律。探究稀土元素和鋅元素在LPSO相中的富集情況以及它們之間的相互作用對(duì)LPSO相穩(wěn)定性的影響，建立合金成分與LPSO相形成及演變之間的定量關(guān)系。制備工藝對(duì)LPSO相的調(diào)控：采用不同的制備工藝，如常規(guī)鑄造、快速凝固、熱擠壓、軋制等，制備Mg-RE-Zn系合金。研究不同制備工藝下合金的凝固過程、冷卻速度、變形方式等因素對(duì)LPSO相的分布（均勻性、在晶界或晶內(nèi)的分布情況）、尺寸（厚度、長度等）以及取向的調(diào)控作用。對(duì)比不同制備工藝獲得的合金中LPSO相的特征差異，分析制備工藝參數(shù)與LPSO相調(diào)控效果之間的內(nèi)在聯(lián)系，優(yōu)化制備工藝，以獲得理想的LPSO相分布和形態(tài)。例如，研究快速凝固工藝中冷卻速度對(duì)LPSO相析出的影響，以及熱擠壓工藝中擠壓比和擠壓溫度對(duì)LPSO相取向和破碎程度的影響。LPSO相對(duì)Mg-RE-Zn系合金力學(xué)性能的影響機(jī)制：對(duì)含有不同特征LPSO相（如不同含量、形態(tài)、分布和晶體結(jié)構(gòu)）的Mg-RE-Zn系合金進(jìn)行室溫拉伸、壓縮、彎曲等力學(xué)性能測(cè)試，以及高溫蠕變、疲勞等性能測(cè)試。結(jié)合微觀組織觀察和位錯(cuò)分析技術(shù)，研究LPSO相通過第二相強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)、協(xié)調(diào)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)、抑制變形孿晶長大等機(jī)制對(duì)合金強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性、疲勞性能和高溫性能等力學(xué)性能的影響規(guī)律。分析LPSO相在受力過程中的變形行為（如扭折、破碎等）以及與基體的界面結(jié)合情況對(duì)合金力學(xué)性能的影響，建立LPSO相特征與合金力學(xué)性能之間的定量關(guān)系模型，揭示LPSO相對(duì)Mg-RE-Zn系合金力學(xué)性能的影響機(jī)制?；贚PSO相調(diào)控的合金性能優(yōu)化：綜合考慮合金成分和制備工藝對(duì)LPSO相的調(diào)控作用，以及LPSO相對(duì)合金力學(xué)性能的影響機(jī)制，設(shè)計(jì)并制備具有優(yōu)化力學(xué)性能的Mg-RE-Zn系合金。通過調(diào)整合金成分和優(yōu)化制備工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)LPSO相的精確調(diào)控，使合金獲得高強(qiáng)度、高塑性和良好的綜合力學(xué)性能。對(duì)優(yōu)化后的合金進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景模擬測(cè)試，評(píng)估其在航空航天、汽車制造等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，為Mg-RE-Zn系合金的實(shí)際工程應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。1.3.2研究方法合金制備：采用電阻爐熔煉的方法，以工業(yè)純鎂（Mg）、純鋅（Zn）以及稀土中間合金（如Mg-Y、Mg-Gd等）為原料，按照設(shè)計(jì)的合金成分進(jìn)行配料。將原料放入石墨坩堝中，在氬氣保護(hù)氣氛下進(jìn)行熔煉，以防止合金元素的氧化燒損。熔煉溫度控制在750-800℃，待原料完全熔化后，進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，使合金成分均勻化。然后將熔煉好的合金液澆鑄到預(yù)熱的金屬模具中，制備出合金鑄錠。對(duì)于需要進(jìn)行塑性加工的合金，將鑄錠進(jìn)行均勻化處理后，采用熱擠壓、軋制等工藝進(jìn)行加工。熱擠壓溫度一般控制在350-450℃，擠壓比為10-20；軋制溫度為300-400℃，道次壓下量控制在10%-20%，通過多道次軋制獲得所需的板材或棒材。微觀組織分析：利用X射線衍射儀（XRD）對(duì)合金的相組成進(jìn)行分析，確定合金中LPSO相以及其他相的種類和相對(duì)含量。通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀察合金的微觀組織形貌，包括LPSO相的形態(tài)、尺寸、分布以及與基體的界面情況。采用透射電子顯微鏡（TEM）對(duì)LPSO相的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)表征，分析其原子堆垛方式、層錯(cuò)特征以及與位錯(cuò)、晶界等晶體缺陷的相互作用。運(yùn)用電子背散射衍射（EBSD）技術(shù)分析合金的晶粒取向分布、晶界特征以及LPSO相的取向關(guān)系，為深入理解合金的微觀組織與性能關(guān)系提供依據(jù)。力學(xué)性能測(cè)試：使用電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)合金進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制備拉伸試樣，拉伸速率為0.5-1mm/min，測(cè)定合金的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長率等力學(xué)性能指標(biāo)。進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，測(cè)試合金的抗壓強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度。采用硬度計(jì)測(cè)量合金的硬度，分析合金的硬度分布情況。對(duì)合金進(jìn)行高溫蠕變?cè)囼?yàn)，在一定溫度和應(yīng)力條件下，測(cè)定合金的蠕變曲線，研究合金的高溫蠕變性能。利用疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，測(cè)定合金的疲勞壽命和疲勞極限，評(píng)估合金的疲勞性能。數(shù)據(jù)分析與建模：對(duì)實(shí)驗(yàn)獲得的微觀組織數(shù)據(jù)和力學(xué)性能數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，運(yùn)用數(shù)學(xué)方法建立合金成分、制備工藝、LPSO相特征與合金力學(xué)性能之間的定量關(guān)系模型。通過數(shù)據(jù)分析和模型計(jì)算，預(yù)測(cè)不同條件下合金的性能，為合金的成分設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。利用計(jì)算機(jī)模擬軟件，如有限元分析軟件，對(duì)合金在受力過程中的應(yīng)力分布、變形行為以及LPSO相的作用進(jìn)行模擬分析，進(jìn)一步驗(yàn)證和完善實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，深入揭示LPSO相對(duì)合金力學(xué)性能的影響機(jī)制。二、Mg-RE-Zn系合金中LPSO相的形成與結(jié)構(gòu)特征2.1LPSO相的形成機(jī)制LPSO相在Mg-RE-Zn系合金中的形成是一個(gè)復(fù)雜的物理過程，受到多種因素的綜合影響，其中合金元素、溫度以及冷卻速度起著關(guān)鍵作用，涉及熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)原理。合金元素是決定LPSO相能否形成以及形成何種類型LPSO相的重要因素。在Mg-RE-Zn系合金中，稀土元素（RE）和鋅（Zn）的含量及比例對(duì)LPSO相的形成有著決定性影響。不同稀土元素因其原子半徑、電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)活性的差異，在合金中表現(xiàn)出不同的行為。釔（Y）、釓（Gd）、鏑（Dy）等稀土元素在合金中與鎂（Mg）和鋅（Zn）相互作用，形成特定的原子團(tuán)簇，為LPSO相的形核提供了基礎(chǔ)。研究表明，當(dāng)合金中Y含量高于Zn含量，且Y/Zn原子比達(dá)到一定范圍時(shí)，在Mg-Y-Zn合金體系中更容易形成長周期堆垛有序的X相（即LPSO相）。這是因?yàn)閅原子和Zn原子在特定的原子面上富集，形成了有序的原子排列，進(jìn)而促進(jìn)了LPSO相的形成。合金中其他微量元素的添加也會(huì)對(duì)LPSO相的形成產(chǎn)生影響。添加Sn元素能改變LPSO相的形貌和體積分?jǐn)?shù)，Sn的加入顯著影響鑄態(tài)下合金中LPSO結(jié)構(gòu)的長度和密度，退火后18R的含量隨著針狀到塊狀形貌的變化而增加，并且在晶粒內(nèi)和18R相之間有細(xì)小的14H-LPSO片晶析出。這是由于Sn原子的加入改變了合金的原子擴(kuò)散路徑和擴(kuò)散速率，影響了LPSO相的生長過程，從而導(dǎo)致其形貌和體積分?jǐn)?shù)發(fā)生變化。溫度在LPSO相的形成過程中扮演著重要角色，它影響著合金中原子的擴(kuò)散能力和化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。在合金凝固過程中，溫度的變化決定了原子的遷移和聚集方式。高溫時(shí)，原子具有較高的動(dòng)能，擴(kuò)散能力較強(qiáng)，有利于原子的均勻分布；而隨著溫度降低，原子擴(kuò)散速率減慢，溶質(zhì)原子逐漸富集，為LPSO相的形成創(chuàng)造了條件。在Mg-Gd-Zn合金的凝固過程中，當(dāng)溫度降低到一定程度時(shí)，Gd和Zn原子開始在某些區(qū)域聚集，形成LPSO相的核心，隨著溫度進(jìn)一步下降，這些核心逐漸長大形成LPSO相。在熱處理過程中，溫度的高低和保溫時(shí)間的長短也會(huì)對(duì)LPSO相的形成和轉(zhuǎn)變產(chǎn)生影響。適當(dāng)提高熱處理溫度并延長保溫時(shí)間，有助于原子的擴(kuò)散和重新排列，促進(jìn)LPSO相的析出和長大，同時(shí)也可能導(dǎo)致不同類型LPSO相之間的轉(zhuǎn)變。在對(duì)含LPSO相的Mg-Zn-Y合金進(jìn)行熱處理時(shí)，發(fā)現(xiàn)隨著熱處理溫度的升高，18R-LPSO相的含量逐漸增加，而14H-LPSO相的含量則有所減少，這是因?yàn)樵谳^高溫度下，原子擴(kuò)散更加充分，有利于18R-LPSO相的形成和穩(wěn)定。冷卻速度是影響LPSO相形成的另一個(gè)重要?jiǎng)恿W(xué)因素。快速冷卻能夠抑制原子的擴(kuò)散，使溶質(zhì)原子來不及均勻分布，從而更容易在某些區(qū)域富集，促進(jìn)LPSO相的形成。采用快速凝固技術(shù)制備Mg-RE-Zn系合金時(shí)，由于冷卻速度極快，原子被迅速固定在特定位置，溶質(zhì)原子的偏析加劇，使得LPSO相能夠在較短時(shí)間內(nèi)大量析出。一些研究通過快速凝固工藝成功獲得了大量的LPSO相，顯著提高了合金的力學(xué)性能。相反，緩慢冷卻時(shí)原子有足夠的時(shí)間擴(kuò)散，可能導(dǎo)致溶質(zhì)原子均勻分布，不利于LPSO相的形成，或者使已形成的LPSO相發(fā)生分解。在Mg-Gd-Zn合金的常規(guī)鑄造過程中，冷卻速度相對(duì)較慢，LPSO相的析出量較少，且可能會(huì)出現(xiàn)LPSO相的分解現(xiàn)象，導(dǎo)致合金中LPSO相的含量降低。從熱力學(xué)角度來看，LPSO相的形成是體系自由能降低的過程。在合金凝固或熱處理過程中，當(dāng)合金成分、溫度等條件滿足一定要求時(shí)，形成LPSO相可以使體系的自由能降低，從而使LPSO相成為熱力學(xué)穩(wěn)定相。合金元素的添加改變了合金的化學(xué)勢(shì)，使得在特定條件下形成LPSO相能夠降低體系的化學(xué)自由能。在Mg-Y-Zn合金中，Y和Zn原子的加入使得形成LPSO相時(shí)，體系的化學(xué)自由能低于形成其他相的自由能，從而促使LPSO相的形成。溫度的變化也會(huì)影響體系的自由能，較低的溫度有利于LPSO相的形成，因?yàn)樵诘蜏叵?，LPSO相的晶體結(jié)構(gòu)具有更低的自由能。在動(dòng)力學(xué)方面，LPSO相的形成過程涉及原子的擴(kuò)散、形核和長大。合金元素的擴(kuò)散速率決定了LPSO相的形核和生長速度。在快速冷卻條件下，原子擴(kuò)散速率慢，形核率高但生長速度慢，容易形成細(xì)小且數(shù)量眾多的LPSO相；而在緩慢冷卻條件下，原子擴(kuò)散速率快，形核率低但生長速度快，可能形成粗大的LPSO相。冷卻速度還會(huì)影響LPSO相的取向和分布?？焖倮鋮s時(shí)，LPSO相的取向可能更加隨機(jī)，分布也相對(duì)均勻；而緩慢冷卻時(shí)，LPSO相可能會(huì)沿著某些特定方向生長，導(dǎo)致其分布不均勻。2.2LPSO相的晶體結(jié)構(gòu)與類型在Mg-RE-Zn系合金中，LPSO相呈現(xiàn)出多種晶體結(jié)構(gòu)，其中較為常見的有18R型和14H型。這些不同類型的LPSO相具有獨(dú)特的原子堆垛方式和晶體學(xué)特征，對(duì)合金性能產(chǎn)生著不同的影響。18R-LPSO相的晶體結(jié)構(gòu)屬于斜方晶系，其原子堆垛順序相較于傳統(tǒng)密排六方（HCP）結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。在18R-LPSO相中，原子沿著密排六方結(jié)構(gòu)的c軸方向呈現(xiàn)出周期性的堆垛順序，可表示為ABCACBABCBCABACBACB。在這種堆垛方式中，A、B、C代表不同的原子層，通過特定的排列形成了18層重復(fù)的長周期結(jié)構(gòu)，故而被命名為18R。18R-LPSO相的晶胞參數(shù)通常為a=1.112nm，b=1.926nm，c=4.68nm，β=83.25°。在一些Mg-Y-Zn合金中，18R-LPSO相中的Y和Zn原子會(huì)在特定原子面上富集，這些原子的富集區(qū)域與鎂原子層交替排列，形成了獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)。這種層狀結(jié)構(gòu)使得18R-LPSO相具有較高的穩(wěn)定性和硬度，作為第二相粒子彌散分布在鎂基體中時(shí)，能夠有效地阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，提高合金的強(qiáng)度。14H-LPSO相則屬于六方晶系，其原子堆垛順序?yàn)锳BABCACACACBABA。在這種結(jié)構(gòu)中，沿著c軸方向存在14層原子的重復(fù)排列，從而形成了14H的結(jié)構(gòu)。14H-LPSO相的晶胞參數(shù)一般為a=1.112nm，c=3.64nm。14H-LPSO相中的合金元素分布也具有一定的規(guī)律性，Y和Zn等元素在某些原子層富集，與鎂原子層共同構(gòu)成了其層狀結(jié)構(gòu)。與18R-LPSO相不同，14H-LPSO相在晶體結(jié)構(gòu)上的差異導(dǎo)致其在與鎂基體的相互作用以及對(duì)合金性能的影響方面也有所不同。在熱變形過程中，14H-LPSO相更容易促進(jìn)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生，通過為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶提供形核核心，細(xì)化合金晶粒，從而提高合金的強(qiáng)度和韌性。除了18R型和14H型LPSO相外，還有6H、10H和24R等類型的LPSO相，但它們?cè)贛g-RE-Zn系合金中的研究相對(duì)較少。6H-LPSO相的原子堆垛順序與18R、14H相比更為簡單，其在鎂合金中的形成條件和對(duì)合金性能的影響與前兩者也存在差異。10H-LPSO相具有獨(dú)特的原子排列方式，其晶體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了它在合金中的強(qiáng)化機(jī)制和作用效果與其他類型的LPSO相有所不同。24R-LPSO相由于其原子堆垛的長周期性，在晶體學(xué)特征和性能表現(xiàn)上也具有自身的特點(diǎn)。上海大學(xué)羅群教授和李謙教授等人以Mg-Ni-Y體系為研究對(duì)象，采用平衡合金法確定四種14H（Mg93Ni3Y4）、18R（Mg88Ni5Y7）、10H（Mg86Ni6Y8）和12R（Mg72Ni12Y16）類型的LPSO相關(guān)系。通過第一性原理計(jì)算不同LPSO相的生成焓，發(fā)現(xiàn)14H、18R和10H的計(jì)算生成焓值依次降低，分別為-9.14、-9.65和-11.22kJ/mol?atom，12R的計(jì)算生成焓值是-9.43kJ/mol?atom，這表明不同類型的LPSO相在熱力學(xué)穩(wěn)定性上存在差異，進(jìn)而可能影響它們?cè)诤辖鹬械男纬珊头€(wěn)定性。不同類型的LPSO相在Mg-RE-Zn系合金中的穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)變關(guān)系較為復(fù)雜，受到合金成分、溫度、冷卻速度以及熱處理工藝等多種因素的影響。在一定的合金成分和冷卻速度條件下，18R-LPSO相可能在凝固過程中直接析出；而在后續(xù)的熱處理或熱變形過程中，18R-LPSO相有可能會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)?4H-LPSO相。這種轉(zhuǎn)變的發(fā)生與原子的擴(kuò)散和重新排列密切相關(guān)，當(dāng)溫度和時(shí)間等條件滿足時(shí)，原子會(huì)通過擴(kuò)散調(diào)整其位置，從而實(shí)現(xiàn)LPSO相結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。在對(duì)Mg-Gd-Zn合金進(jìn)行固溶處理時(shí)，隨著固溶溫度的升高和保溫時(shí)間的延長，合金中的18R-LPSO相可能會(huì)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)?4H-LPSO相，這是因?yàn)楦邷睾烷L時(shí)間的保溫為原子擴(kuò)散提供了更有利的條件，促使原子重新排列形成更穩(wěn)定的14H結(jié)構(gòu)。不同類型LPSO相的結(jié)構(gòu)差異對(duì)合金性能有著顯著的潛在影響。在力學(xué)性能方面，18R-LPSO相由于其較高的硬度和穩(wěn)定性，主要通過第二相強(qiáng)化機(jī)制提高合金的強(qiáng)度；而14H-LPSO相在促進(jìn)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶細(xì)化晶粒方面表現(xiàn)更為突出，通過細(xì)晶強(qiáng)化機(jī)制提升合金的強(qiáng)度和韌性。在含有18R-LPSO相的Mg-Y-Zn合金中，隨著18R-LPSO相含量的增加，合金的屈服強(qiáng)度顯著提高；而在含有14H-LPSO相的合金中，熱變形后合金的晶粒得到細(xì)化，強(qiáng)度和韌性都有明顯改善。在耐蝕性能方面，不同類型LPSO相的分布和與基體的界面情況會(huì)影響合金的腐蝕行為。如果LPSO相分布均勻且與基體界面結(jié)合良好，能夠有效阻礙腐蝕介質(zhì)的侵蝕，提高合金的耐蝕性；反之，若LPSO相分布不均勻或與基體存在較大的電位差，可能會(huì)加速合金的腐蝕。2.3LPSO相在Mg-RE-Zn系合金中的分布與形貌LPSO相在Mg-RE-Zn系合金中的分布與形貌呈現(xiàn)出多樣化的特征，受到合金成分、制備工藝以及熱處理等多種因素的顯著影響。這些特征對(duì)合金的微觀組織均勻性和連續(xù)性有著重要作用，進(jìn)而深刻影響合金的力學(xué)性能。在分布方面，LPSO相在合金中既可以均勻分布于晶內(nèi)，也常出現(xiàn)在晶界處。當(dāng)合金中稀土元素和鋅元素含量較為均勻，且在凝固或熱加工過程中原子擴(kuò)散較為充分時(shí)，LPSO相傾向于在晶內(nèi)均勻析出。在一些經(jīng)過均勻化處理的Mg-Y-Zn合金中，LPSO相呈細(xì)小顆粒狀均勻分布在α-Mg晶粒內(nèi)部，這種均勻分布有助于提高合金微觀組織的均勻性，使合金在受力時(shí)各部分能夠均勻承載，從而提升合金的綜合力學(xué)性能。而在凝固過程中冷卻速度不均勻或存在成分偏析的情況下，LPSO相更容易在晶界處聚集。在常規(guī)鑄造的Mg-Gd-Zn合金中，由于冷卻速度相對(duì)較慢，溶質(zhì)原子在晶界處偏析，導(dǎo)致LPSO相在晶界處大量析出，形成連續(xù)或不連續(xù)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。晶界處的LPSO相一方面可以強(qiáng)化晶界，提高合金的強(qiáng)度；另一方面，若LPSO相在晶界處分布不均勻或與基體結(jié)合不良，可能會(huì)成為裂紋源，降低合金的韌性和塑性。從形貌上看，LPSO相常見的形貌包括片狀、塊狀和纖維狀。片狀LPSO相通常呈現(xiàn)出薄而扁平的形態(tài)，其厚度一般在幾十納米到幾百納米之間，長度則可達(dá)微米級(jí)。在一些Mg-RE-Zn系合金中，片狀LPSO相沿著特定的晶面生長，與基體形成一定的取向關(guān)系。在含有14H-LPSO相的Mg-Gd-Zn合金中，片狀14H-LPSO相平行于α-Mg基體的基面生長，這種取向關(guān)系對(duì)合金的變形行為和力學(xué)性能有著重要影響。塊狀LPSO相則具有較為規(guī)則的外形，尺寸一般在微米量級(jí)。塊狀LPSO相的硬度和強(qiáng)度較高，作為第二相粒子彌散分布在鎂基體中時(shí)，能夠有效地阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，提高合金的強(qiáng)度。在Mg-Y-Zn合金中，塊狀18R-LPSO相的存在使得合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都有顯著提高。纖維狀LPSO相呈現(xiàn)出細(xì)長的形態(tài)，其長徑比較大，類似于纖維。纖維狀LPSO相在合金中起到了類似于短纖維增強(qiáng)的作用，能夠顯著提高合金的強(qiáng)度和韌性。在一些經(jīng)過熱擠壓加工的Mg-RE-Zn系合金中，纖維狀LPSO相沿著擠壓方向排列，增強(qiáng)了合金在該方向上的力學(xué)性能。LPSO相的分布和形貌對(duì)合金微觀組織的均勻性和連續(xù)性有著重要影響。均勻分布的LPSO相可以使合金微觀組織更加均勻，減少成分和性能的不均勻性，提高合金的綜合性能。細(xì)小且均勻分布的LPSO相能夠細(xì)化合金晶粒，使晶粒尺寸更加均勻，從而提高合金的強(qiáng)度和韌性。相反，若LPSO相分布不均勻，如在晶界處大量聚集或在晶內(nèi)形成粗大的顆粒，會(huì)破壞合金微觀組織的均勻性，導(dǎo)致合金在受力時(shí)應(yīng)力集中，降低合金的性能。在晶界處形成連續(xù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的LPSO相，可能會(huì)阻礙晶界的滑動(dòng)和遷移，影響合金的塑性變形能力；而粗大的LPSO相顆粒則容易成為裂紋源，降低合金的韌性和疲勞性能。LPSO相的形貌也會(huì)影響合金微觀組織的連續(xù)性。片狀和纖維狀LPSO相在一定程度上能夠保持合金微觀組織的連續(xù)性，因?yàn)樗鼈兣c基體之間的界面相對(duì)較小，對(duì)基體的連續(xù)性破壞較小。纖維狀LPSO相沿著一定方向排列，在承受外力時(shí)能夠有效地傳遞應(yīng)力，增強(qiáng)合金的力學(xué)性能。而塊狀LPSO相由于尺寸較大，與基體之間的界面面積較大，若與基體結(jié)合不良，可能會(huì)破壞合金微觀組織的連續(xù)性，降低合金的性能。當(dāng)塊狀LPSO相在受力過程中與基體發(fā)生脫粘時(shí)，會(huì)在合金內(nèi)部形成孔洞，降低合金的強(qiáng)度和韌性。三、調(diào)控LPSO相的方法與策略3.1合金成分設(shè)計(jì)3.1.1RE元素與Zn元素的協(xié)同作用在Mg-RE-Zn系合金中，RE元素與Zn元素的協(xié)同作用對(duì)LPSO相的形成、含量和結(jié)構(gòu)有著至關(guān)重要的影響。不同的RE元素與Zn元素配比會(huì)導(dǎo)致合金內(nèi)部原子間的相互作用發(fā)生變化，從而改變LPSO相的形核與生長條件，進(jìn)而影響其在合金中的存在狀態(tài)。研究表明，在Mg-Y-Zn合金體系中，當(dāng)Y和Zn元素的含量比例發(fā)生變化時(shí)，LPSO相的形成情況會(huì)顯著不同。當(dāng)Y含量較高且Zn含量相對(duì)較低時(shí)，更有利于形成18R型LPSO相。這是因?yàn)閅原子半徑較大，與鎂原子半徑差異明顯，在合金中Y原子的溶解會(huì)引起較大的晶格畸變，從而增加了合金的能量。此時(shí)，適量的Zn原子與Y原子相互作用，在特定的原子面上富集，形成了有序排列，促進(jìn)了18R型LPSO相的形核。隨著Y/Zn原子比的進(jìn)一步增大，18R型LPSO相的含量逐漸增加。在Mg-8Y-2Zn合金中，18R型LPSO相在合金中呈塊狀或片狀分布，其含量相對(duì)較高；而在Mg-6Y-4Zn合金中，由于Y/Zn原子比的降低，18R型LPSO相的含量有所減少，同時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)其他相，如W相（Mg?Zn?Y?）等。當(dāng)Zn含量增加而Y含量相對(duì)減少時(shí)，合金中LPSO相的結(jié)構(gòu)和含量也會(huì)相應(yīng)改變。Zn原子的增加會(huì)改變合金的電子云分布和原子間鍵合強(qiáng)度，影響LPSO相的形成和穩(wěn)定性。在一定范圍內(nèi)，增加Zn含量可能會(huì)促進(jìn)14H型LPSO相的形成。這是因?yàn)閆n原子的擴(kuò)散速率和在合金中的溶解度與Y原子不同，當(dāng)Zn含量增加時(shí)，其在合金凝固或熱處理過程中的偏析行為發(fā)生變化，使得在某些區(qū)域更容易形成14H型LPSO相的原子排列結(jié)構(gòu)。在Mg-4Y-6Zn合金中，14H型LPSO相的含量相對(duì)較高，且多以層片狀分布在晶內(nèi)或晶界處。RE元素與Zn元素的協(xié)同作用還會(huì)影響LPSO相的穩(wěn)定性。不同類型的LPSO相在熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)上具有不同的穩(wěn)定性，而RE元素與Zn元素的配比會(huì)改變合金的能量狀態(tài)，從而影響LPSO相之間的轉(zhuǎn)變。在Mg-Gd-Zn合金中，當(dāng)Gd和Zn含量適當(dāng)時(shí)，形成的LPSO相在高溫下具有較好的穩(wěn)定性。隨著溫度的升高，合金中的原子活動(dòng)能力增強(qiáng)，若LPSO相的穩(wěn)定性不足，可能會(huì)發(fā)生分解或轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌?。而合適的Gd和Zn含量可以使LPSO相的晶體結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，抑制其在高溫下的分解和轉(zhuǎn)變。在高溫退火過程中，Mg-10Gd-5Zn合金中的LPSO相能夠保持相對(duì)穩(wěn)定，而在Gd和Zn含量不合適的合金中，LPSO相可能會(huì)發(fā)生分解，導(dǎo)致合金的性能下降。RE元素與Zn元素的協(xié)同作用還會(huì)影響LPSO相在合金中的分布。當(dāng)RE元素和Zn元素在合金中分布均勻時(shí)，有利于LPSO相在晶內(nèi)均勻析出；而若存在成分偏析，LPSO相則更容易在偏析區(qū)域或晶界處聚集。在熔煉過程中，攪拌不充分可能導(dǎo)致RE元素和Zn元素分布不均勻，使得合金凝固時(shí)，LPSO相在某些區(qū)域大量析出，而在其他區(qū)域則較少，從而影響合金微觀組織的均勻性和性能的一致性。通過優(yōu)化熔煉工藝，提高RE元素和Zn元素的混合均勻性，可以使LPSO相在合金中更均勻地分布，提高合金的綜合性能。3.1.2其他合金元素的影響除了RE元素和Zn元素外，在Mg-RE-Zn系合金中添加其他合金元素也會(huì)對(duì)LPSO相及合金綜合性能產(chǎn)生顯著影響。這些元素的加入可以改變合金的晶體結(jié)構(gòu)、原子擴(kuò)散行為以及相的穩(wěn)定性，從而對(duì)LPSO相的形成、形貌、分布以及合金的力學(xué)性能、耐蝕性能等產(chǎn)生多方面的作用。添加鋯（Zr）元素對(duì)Mg-RE-Zn系合金的晶粒細(xì)化和LPSO相分布有重要影響。Zr在合金中可以作為異質(zhì)形核核心，促進(jìn)α-Mg晶粒的形核，從而細(xì)化晶粒。細(xì)化的晶?？梢栽黾泳Ы缑娣e，為LPSO相的析出提供更多的形核位置，使LPSO相在晶界處的分布更加均勻。在Mg-5Y-5Zn合金中添加0.5%的Zr后，合金的平均晶粒尺寸從原來的幾十微米減小到十幾微米，同時(shí)LPSO相在晶界處呈細(xì)小顆粒狀均勻分布。這種細(xì)化的晶粒和均勻分布的LPSO相有助于提高合金的強(qiáng)度和韌性。Zr還可以與RE元素和Zn元素相互作用，影響LPSO相的晶體結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性。Zr的存在可能會(huì)改變LPSO相中原子的排列方式，增強(qiáng)LPSO相與基體之間的界面結(jié)合力，從而提高合金的力學(xué)性能。錫（Sn）元素的添加可以改變LPSO相的形貌和含量。在Mg-6Y-2Zn合金中加入少量Sn后，鑄態(tài)下LPSO相的長度變長，含量增加。合金退火后，18R-LPSO相的含量進(jìn)一步增加，形狀由針狀變成塊狀，并且在晶粒中以及18R-LPSO相之中還會(huì)析出互相平行的層狀的14H-LPSO相。這是因?yàn)镾n原子的加入改變了合金的原子擴(kuò)散路徑和擴(kuò)散速率，影響了LPSO相的生長過程。Sn原子可能會(huì)在LPSO相的生長界面處富集，阻礙LPSO相的橫向生長，使其長度增加；同時(shí)，Sn原子的存在也會(huì)影響LPSO相的晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，促進(jìn)18R-LPSO相的形成和14H-LPSO相的析出。這些形貌和含量的變化會(huì)對(duì)合金的力學(xué)性能產(chǎn)生影響，含Sn元素的合金在擠壓態(tài)下屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度相比不含Sn的合金有明顯提高。鋁（Al）元素的加入對(duì)Mg-RE-Zn系合金的組織和性能也有獨(dú)特的作用。在Mg-Y基合金中添加Al可以在熔融鎂中形成穩(wěn)定的Al?Y相，提供有效的異相形核位點(diǎn)，促進(jìn)凝固過程中細(xì)小的等軸α-Mg晶粒的形成，有利于力學(xué)性能。Al的添加對(duì)腐蝕速率的加速作用不如Zn顯著，使其溶解后在中性溶液中比Zn更容易沉積在鎂表面。上海交通大學(xué)曾小勤教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)的Mg-11Y-1Al合金，通過Al?O?/Al(OH)?的沉積，快速形成一層薄而致密的Y?O?/Y(OH)?保護(hù)膜，使該合金的腐蝕速率低于0.2mmy?1，同時(shí)具有350MPa的高屈服強(qiáng)度和8%的適中拉伸伸長率。在該合金體系中，Al元素的加入不僅改善了合金的耐蝕性能，還通過細(xì)化晶粒和影響LPSO相的分布，對(duì)合金的力學(xué)性能產(chǎn)生積極影響。其他合金元素如錳（Mn）、鈣（Ca）等也可能對(duì)Mg-RE-Zn系合金產(chǎn)生影響。Mn可以提高合金的強(qiáng)度和硬度，同時(shí)可能會(huì)影響LPSO相的形成和分布。Ca元素的添加可能會(huì)改善合金的鑄造性能和耐蝕性能，并且對(duì)LPSO相的穩(wěn)定性和與基體的界面結(jié)合情況產(chǎn)生作用。不同合金元素之間還可能存在相互作用，共同影響合金的組織和性能。在實(shí)際合金設(shè)計(jì)中，需要綜合考慮各種合金元素的作用，通過合理的成分設(shè)計(jì)來優(yōu)化合金的性能。3.2熱處理工藝3.2.1固溶處理對(duì)LPSO相的影響固溶處理是調(diào)控Mg-RE-Zn系合金中LPSO相的重要手段，通過將合金加熱到高溫奧氏體區(qū)保溫，使過剩相充分溶解到固溶體中后快速冷卻，以得到過飽和固溶體。在這個(gè)過程中，固溶處理的溫度和時(shí)間對(duì)LPSO相的溶解、重分布以及合金組織均勻性有著顯著影響。固溶溫度是影響LPSO相溶解和轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵因素。當(dāng)固溶溫度較低時(shí)，LPSO相的溶解速度較慢，部分LPSO相可能無法完全溶解到基體中。在較低溫度下對(duì)Mg-5Y-5Zn合金進(jìn)行固溶處理時(shí)，LPSO相僅有部分溶解，仍有大量LPSO相殘留在基體中，且其形態(tài)和分布變化較小。隨著固溶溫度的升高，原子的擴(kuò)散能力增強(qiáng)，LPSO相逐漸溶解到鎂基體中。當(dāng)固溶溫度達(dá)到一定程度時(shí)，LPSO相可能會(huì)發(fā)生分解和轉(zhuǎn)變。在Mg-6Y-2Zn合金中，當(dāng)固溶溫度升高到520℃時(shí)，18R-LPSO相開始分解，部分轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌?，同時(shí)，由于原子擴(kuò)散加劇，合金中的成分均勻性得到提高。若固溶溫度過高，可能會(huì)導(dǎo)致合金發(fā)生過燒現(xiàn)象，使合金組織惡化，性能下降。在對(duì)Mg-Gd-Zn合金進(jìn)行固溶處理時(shí)，當(dāng)溫度超過550℃，合金出現(xiàn)過燒，晶界處出現(xiàn)大量液相，嚴(yán)重影響合金的力學(xué)性能。固溶時(shí)間對(duì)LPSO相的溶解和重分布也起著重要作用。在較短的固溶時(shí)間內(nèi)，LPSO相的溶解不充分，合金組織的均勻性較差。對(duì)Mg-4Y-4Zn合金進(jìn)行短時(shí)間固溶處理時(shí)，LPSO相在基體中的溶解量較少，合金中存在明顯的成分偏析，LPSO相主要集中在某些區(qū)域。隨著固溶時(shí)間的延長，LPSO相逐漸充分溶解到基體中，合金組織的均勻性得到改善。當(dāng)固溶時(shí)間足夠長時(shí)，合金中的成分更加均勻，LPSO相的分布也更加彌散。對(duì)Mg-4Y-4Zn合金延長固溶時(shí)間后，LPSO相在基體中均勻彌散分布，合金的組織均勻性顯著提高。然而，過長的固溶時(shí)間不僅會(huì)增加生產(chǎn)成本，還可能導(dǎo)致晶粒長大，降低合金的強(qiáng)度和韌性。在對(duì)Mg-8Y-2Zn合金進(jìn)行長時(shí)間固溶處理時(shí)，雖然LPSO相充分溶解，合金組織均勻性提高，但晶粒明顯長大，合金的強(qiáng)度和韌性有所下降。固溶處理對(duì)合金組織均勻性的影響還體現(xiàn)在對(duì)其他相的溶解和分布上。在固溶過程中，除了LPSO相，合金中可能還存在其他金屬間化合物，如W相、I相等。固溶處理可以使這些相充分溶解到基體中，減少其在晶界或晶內(nèi)的聚集，從而提高合金組織的均勻性。在Mg-6Y-4Zn合金中，固溶處理使W相和I相溶解到基體中，消除了這些相在晶界處的聚集，改善了合金的組織均勻性，進(jìn)而提高了合金的力學(xué)性能。3.2.2時(shí)效處理與LPSO相的析出時(shí)效處理是在固溶處理后，將合金加熱到一定溫度并保溫一定時(shí)間，使過飽和固溶體中的溶質(zhì)原子析出，形成彌散分布的第二相粒子，從而提高合金的強(qiáng)度和硬度。在Mg-RE-Zn系合金中，時(shí)效處理參數(shù)對(duì)LPSO相的析出、長大以及合金性能有著顯著影響。時(shí)效溫度是影響LPSO相析出和長大的關(guān)鍵因素之一。在較低的時(shí)效溫度下，原子擴(kuò)散速率較慢，LPSO相的析出速度也較慢，析出的LPSO相尺寸較小且數(shù)量較少。在150℃時(shí)效處理Mg-5Y-5Zn合金時(shí)，LPSO相的析出量較少，且多以細(xì)小的顆粒狀彌散分布在基體中。隨著時(shí)效溫度的升高，原子擴(kuò)散能力增強(qiáng)，LPSO相的析出速度加快，析出量增加，尺寸也逐漸長大。當(dāng)時(shí)效溫度升高到200℃時(shí)，Mg-5Y-5Zn合金中LPSO相的析出量明顯增加，尺寸也有所增大，此時(shí)LPSO相開始由細(xì)小顆粒狀逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槎贪魻罨蚱瑺?。若時(shí)效溫度過高，LPSO相可能會(huì)發(fā)生粗化，導(dǎo)致其強(qiáng)化效果減弱。當(dāng)時(shí)效溫度超過250℃時(shí)，Mg-5Y-5Zn合金中的LPSO相迅速粗化，尺寸顯著增大，分布變得不均勻，合金的強(qiáng)度和硬度反而下降。時(shí)效時(shí)間同樣對(duì)LPSO相的析出和長大有著重要影響。在時(shí)效初期，隨著時(shí)效時(shí)間的延長，LPSO相逐漸析出并長大。對(duì)Mg-4Y-4Zn合金進(jìn)行時(shí)效處理，在時(shí)效初期，LPSO相從過飽和固溶體中逐漸析出，數(shù)量不斷增加，尺寸也逐漸增大。當(dāng)時(shí)效時(shí)間達(dá)到一定程度后，LPSO相的析出和長大達(dá)到平衡，繼續(xù)延長時(shí)效時(shí)間，LPSO相可能會(huì)發(fā)生聚集長大，導(dǎo)致其強(qiáng)化效果降低。在Mg-4Y-4Zn合金時(shí)效后期，繼續(xù)延長時(shí)效時(shí)間，LPSO相開始聚集長大，合金的強(qiáng)度和硬度出現(xiàn)下降趨勢(shì)。不同類型的LPSO相在時(shí)效過程中的析出和長大行為也有所不同。18R-LPSO相和14H-LPSO相在時(shí)效過程中，由于其晶體結(jié)構(gòu)和原子堆垛方式的差異，它們的析出溫度、析出速度以及長大速率等都可能不同。在Mg-6Y-2Zn合金中，18R-LPSO相在較低時(shí)效溫度下更容易析出，而14H-LPSO相則在較高時(shí)效溫度下析出量相對(duì)較多。時(shí)效處理對(duì)合金性能的影響是多方面的。通過時(shí)效處理析出的LPSO相可以有效地提高合金的強(qiáng)度和硬度。LPSO相作為第二相粒子，能夠阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)第二相強(qiáng)化。在含有LPSO相的Mg-RE-Zn系合金中，隨著LPSO相析出量的增加和尺寸的合理分布，合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都有顯著提高。時(shí)效處理還可能影響合金的塑性和韌性。適量的LPSO相析出可以細(xì)化晶粒，通過細(xì)晶強(qiáng)化提高合金的塑性和韌性。但如果LPSO相析出過多或發(fā)生粗化，可能會(huì)導(dǎo)致合金的塑性和韌性下降。在Mg-8Y-2Zn合金中，當(dāng)時(shí)效處理使LPSO相析出過多且粗化時(shí)，合金的塑性和韌性明顯降低。時(shí)效處理對(duì)合金的耐蝕性也有一定影響。合適的時(shí)效處理可以使LPSO相均勻分布在基體中，減少合金中的成分偏析和微觀缺陷，從而提高合金的耐蝕性。但如果時(shí)效處理不當(dāng)，導(dǎo)致LPSO相分布不均勻或與基體之間形成較大的電位差，可能會(huì)加速合金的腐蝕。3.3熱加工工藝3.3.1擠壓工藝對(duì)LPSO相的破碎與彌散擠壓工藝是改善Mg-RE-Zn系合金組織和性能的重要手段，對(duì)LPSO相的破碎與彌散有著顯著影響。擠壓過程中的擠壓比、溫度和速度等參數(shù)會(huì)改變合金的變形程度和變形機(jī)制，進(jìn)而影響LPSO相的形貌、分布以及合金的再結(jié)晶行為。擠壓比是影響LPSO相破碎與彌散的關(guān)鍵因素之一。當(dāng)擠壓比較小時(shí)，合金的變形程度相對(duì)較小，LPSO相難以充分破碎和彌散。在較低擠壓比下對(duì)Mg-5Y-5Zn合金進(jìn)行擠壓時(shí)，LPSO相僅發(fā)生部分破碎，仍有較大尺寸的LPSO相顆粒存在，且分布不均勻。隨著擠壓比的增大，合金受到的變形程度增加，LPSO相在強(qiáng)大的剪切應(yīng)力作用下逐漸被破碎成細(xì)小的顆粒，并在基體中彌散分布。當(dāng)擠壓比達(dá)到15時(shí)，Mg-5Y-5Zn合金中的LPSO相被充分破碎，呈細(xì)小顆粒狀均勻彌散分布在鎂基體中。這種破碎和彌散的LPSO相能夠更有效地阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，提高合金的強(qiáng)度和韌性。細(xì)小且均勻分布的LPSO相增加了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，使得合金在受力時(shí)需要更大的外力才能發(fā)生塑性變形，從而提高了合金的強(qiáng)度；同時(shí)，均勻分布的LPSO相還能使合金在變形過程中應(yīng)力分布更加均勻，減少應(yīng)力集中，提高合金的韌性。擠壓溫度對(duì)LPSO相的形貌和分布也有重要影響。在較低的擠壓溫度下，合金的變形抗力較大，LPSO相的破碎難度增加。在300℃的低溫下擠壓Mg-6Y-2Zn合金時(shí)，LPSO相的破碎程度較小，且容易發(fā)生聚集，導(dǎo)致其分布不均勻。隨著擠壓溫度的升高，合金的變形抗力降低，原子的擴(kuò)散能力增強(qiáng)，LPSO相更容易被破碎和彌散。當(dāng)擠壓溫度升高到400℃時(shí)，Mg-6Y-2Zn合金中的LPSO相能夠更均勻地分布在基體中。但如果擠壓溫度過高，可能會(huì)導(dǎo)致合金發(fā)生再結(jié)晶，使晶粒長大，降低合金的強(qiáng)度。當(dāng)擠壓溫度超過450℃時(shí)，Mg-6Y-2Zn合金中的晶粒明顯長大，雖然LPSO相分布均勻，但由于晶粒粗大，合金的強(qiáng)度有所下降。擠壓速度同樣會(huì)影響LPSO相的破碎與彌散以及合金的再結(jié)晶。當(dāng)擠壓速度較慢時(shí)，合金在變形過程中有足夠的時(shí)間進(jìn)行回復(fù)和再結(jié)晶。在低速擠壓Mg-4Y-4Zn合金時(shí)，合金發(fā)生充分的再結(jié)晶，形成粗大的再結(jié)晶晶粒，LPSO相在粗大晶粒中分布相對(duì)均勻，但由于晶粒粗大，合金的強(qiáng)度和韌性受到一定影響。隨著擠壓速度的增加，合金的變形速率加快，位錯(cuò)來不及回復(fù)和再結(jié)晶，大量位錯(cuò)在晶內(nèi)和晶界處堆積，形成高密度的位錯(cuò)胞。這些位錯(cuò)胞為LPSO相的破碎和彌散提供了更多的驅(qū)動(dòng)力，使得LPSO相能夠更有效地被破碎并均勻分布在基體中。當(dāng)擠壓速度提高到一定程度時(shí)，合金的變形熱效應(yīng)顯著，可能會(huì)導(dǎo)致局部溫度升高，促進(jìn)再結(jié)晶的發(fā)生。如果再結(jié)晶過程控制不當(dāng)，可能會(huì)導(dǎo)致晶粒異常長大，影響合金的性能。因此，在實(shí)際擠壓過程中，需要合理控制擠壓速度，以獲得良好的組織和性能。3.3.2軋制等其他熱加工方式的作用除了擠壓工藝外，軋制等其他熱加工方式在調(diào)控Mg-RE-Zn系合金中LPSO相和改善合金性能方面也發(fā)揮著重要作用。這些熱加工方式通過不同的變形機(jī)制，對(duì)LPSO相的形態(tài)、分布以及合金的微觀組織和性能產(chǎn)生獨(dú)特的影響。軋制是一種常見的熱加工工藝，它通過對(duì)合金施加連續(xù)的壓力，使其在軋輥間發(fā)生塑性變形，從而改變合金的形狀和內(nèi)部組織。在軋制過程中，合金受到強(qiáng)烈的剪切應(yīng)力作用，LPSO相的形態(tài)和分布會(huì)發(fā)生顯著變化。對(duì)于含有LPSO相的Mg-RE-Zn系合金，軋制初期，LPSO相在剪切應(yīng)力的作用下發(fā)生彎曲和扭折。在對(duì)Mg-5Y-5Zn合金進(jìn)行軋制時(shí)，初始的塊狀或片狀LPSO相會(huì)逐漸彎曲，其長軸方向逐漸與軋制方向趨于平行。隨著軋制道次的增加，LPSO相進(jìn)一步破碎和細(xì)化。經(jīng)過多道次軋制后，Mg-5Y-5Zn合金中的LPSO相被破碎成細(xì)小的顆粒，沿著軋制方向呈帶狀分布在鎂基體中。這種分布方式使得合金在軋制方向上的強(qiáng)度和塑性得到顯著提高。在軋制方向上，細(xì)小且呈帶狀分布的LPSO相能夠更有效地阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，提高合金的強(qiáng)度；同時(shí)，位錯(cuò)在LPSO相之間的滑移更加順暢，使得合金在該方向上的塑性也得到改善。軋制還會(huì)影響合金的晶粒取向和織構(gòu)。在軋制過程中，合金晶粒會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)和變形，導(dǎo)致晶粒取向發(fā)生變化，形成特定的織構(gòu)。在Mg-RE-Zn系合金中，軋制織構(gòu)的形成會(huì)影響合金的各向異性性能。在某些情況下，軋制織構(gòu)可能會(huì)導(dǎo)致合金在不同方向上的力學(xué)性能出現(xiàn)差異。如果軋制織構(gòu)使得合金在某一方向上的滑移系更容易開動(dòng)，那么在該方向上合金的塑性會(huì)較好，但強(qiáng)度可能相對(duì)較低；而在其他方向上則可能出現(xiàn)相反的情況。因此，通過控制軋制工藝參數(shù)，可以調(diào)整合金的織構(gòu)，優(yōu)化合金的各向異性性能，使其滿足不同工程應(yīng)用的需求。鍛造也是一種重要的熱加工方式，它通過對(duì)合金坯料施加沖擊力或壓力，使其發(fā)生塑性變形。鍛造過程中，合金受到的應(yīng)力狀態(tài)較為復(fù)雜，LPSO相在這種復(fù)雜應(yīng)力作用下會(huì)發(fā)生破碎和重新分布。在鍛造Mg-6Y-2Zn合金時(shí)，LPSO相在沖擊力和壓力的作用下被破碎成不規(guī)則形狀的顆粒，并在合金內(nèi)部均勻分布。鍛造還可以改善合金的內(nèi)部缺陷，如消除氣孔、縮松等，提高合金的致密度。鍛造后的Mg-6Y-2Zn合金致密度提高，內(nèi)部缺陷減少，LPSO相均勻分布，使得合金的強(qiáng)度和韌性都得到顯著提高。鍛造過程中的高溫還可能促進(jìn)合金的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，細(xì)化晶粒，進(jìn)一步提高合金的性能。其他熱加工方式如熱拉拔等也會(huì)對(duì)Mg-RE-Zn系合金中的LPSO相和合金性能產(chǎn)生影響。熱拉拔過程中，合金在拉拔力的作用下發(fā)生拉伸變形，LPSO相的形態(tài)和分布會(huì)相應(yīng)改變。在熱拉拔Mg-4Y-4Zn合金時(shí)，LPSO相會(huì)被拉長并沿著拉拔方向排列，形成纖維狀結(jié)構(gòu)。這種纖維狀的LPSO相分布增強(qiáng)了合金在拉拔方向上的強(qiáng)度，使合金在該方向上具有較好的承載能力。不同的熱加工方式對(duì)Mg-RE-Zn系合金中LPSO相的調(diào)控和合金性能的改善各有特點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)合金的成分、使用要求以及生產(chǎn)工藝等因素，合理選擇熱加工方式和工藝參數(shù)，以獲得理想的LPSO相分布和合金性能。四、LPSO相對(duì)Mg-RE-Zn系合金力學(xué)性能的影響4.1強(qiáng)化機(jī)制4.1.1固溶強(qiáng)化在Mg-RE-Zn系合金中，LPSO相的形成涉及多種合金元素的參與，這些元素在合金中的固溶行為對(duì)基體產(chǎn)生了顯著的固溶強(qiáng)化作用。當(dāng)稀土元素（RE）如釔（Y）、釓（Gd）等溶解于鎂（Mg）基體時(shí)，由于其原子半徑與Mg原子半徑存在差異，會(huì)引起基體晶格的畸變。Y原子半徑比Mg原子大，在Mg-Y-Zn合金中，Y原子溶入Mg基體后，會(huì)使周圍的Mg原子晶格發(fā)生膨脹畸變。這種晶格畸變?cè)黾恿宋诲e(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，因?yàn)槲诲e(cuò)在畸變的晶格中移動(dòng)需要克服更大的能量障礙。根據(jù)位錯(cuò)理論，位錯(cuò)在晶體中運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)受到晶格畸變區(qū)域的排斥力，從而增加了位錯(cuò)滑移的難度。這種由于溶質(zhì)原子引起的晶格畸變對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用，就是固溶強(qiáng)化的本質(zhì)。隨著Y元素在Mg基體中固溶量的增加，合金的強(qiáng)度和硬度會(huì)相應(yīng)提高。在Mg-5Y-5Zn合金中，隨著Y含量的增加，合金的室溫屈服強(qiáng)度從150MPa提升至200MPa，這充分體現(xiàn)了固溶強(qiáng)化的效果。鋅（Zn）元素在Mg基體中的固溶也對(duì)合金性能產(chǎn)生重要影響。Zn原子半徑小于Mg原子，其固溶入Mg基體后會(huì)導(dǎo)致晶格收縮畸變。這種收縮畸變同樣會(huì)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化效果。在Mg-Zn系合金中，隨著Zn含量的增加，合金的強(qiáng)度逐漸提高。在Mg-3Zn合金中，Zn的固溶使合金的抗拉強(qiáng)度從120MPa提高到150MPa。在Mg-RE-Zn系合金中，Zn與RE元素相互作用，共同影響合金的固溶強(qiáng)化效果。在Mg-6Y-2Zn合金中，Zn和Y元素的共同固溶，使合金的晶格畸變更為復(fù)雜，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受到的阻礙更大，合金的強(qiáng)度得到進(jìn)一步提升。LPSO相中合金元素的固溶強(qiáng)化作用不僅影響合金的強(qiáng)度，還會(huì)對(duì)合金的塑性產(chǎn)生一定影響。適量的合金元素固溶可以提高合金的強(qiáng)度，同時(shí)在一定程度上保持合金的塑性。但當(dāng)固溶元素含量過高時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致晶格畸變過于嚴(yán)重，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)過于困難，從而使合金的塑性下降。在Mg-8Y-2Zn合金中，過高的Y含量雖然使合金強(qiáng)度大幅提高，但塑性卻有所降低。因此，在合金設(shè)計(jì)中，需要合理控制合金元素的含量，以平衡合金的強(qiáng)度和塑性。4.1.2彌散強(qiáng)化LPSO相在Mg-RE-Zn系合金中通常以細(xì)小顆粒的形式彌散分布在鎂基體中，這種彌散分布的LPSO相對(duì)合金起到了顯著的彌散強(qiáng)化作用。當(dāng)合金發(fā)生塑性變形時(shí)，位錯(cuò)會(huì)在基體中運(yùn)動(dòng)。由于LPSO相具有較高的硬度和強(qiáng)度，位錯(cuò)在運(yùn)動(dòng)過程中遇到LPSO相時(shí)，無法直接穿過，只能繞過。根據(jù)Orowan機(jī)制，位錯(cuò)繞過LPSO相粒子時(shí)，會(huì)在粒子周圍留下位錯(cuò)環(huán)。位錯(cuò)繞過LPSO相粒子的過程需要消耗額外的能量，這就增加了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，從而提高了合金的強(qiáng)度。在Mg-5Y-5Zn合金中，LPSO相呈細(xì)小顆粒狀彌散分布在鎂基體中，位錯(cuò)在運(yùn)動(dòng)時(shí)不斷受到LPSO相粒子的阻礙，使得合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都有明顯提高。當(dāng)LPSO相顆粒間距較小時(shí)，位錯(cuò)繞過粒子的難度更大，強(qiáng)化效果更顯著。在含有細(xì)小且均勻分布LPSO相的Mg-6Y-2Zn合金中，位錯(cuò)需要不斷彎曲和繞過LPSO相粒子，使得合金的強(qiáng)度得到了極大提升。LPSO相的尺寸、形狀和分布對(duì)彌散強(qiáng)化效果有著重要影響。一般來說，尺寸較小、分布均勻的LPSO相粒子能夠提供更有效的強(qiáng)化作用。較小的LPSO相粒子可以使位錯(cuò)在較短的距離內(nèi)就遇到阻礙，增加了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的難度。均勻分布的LPSO相粒子能夠使合金在受力時(shí)應(yīng)力分布更加均勻，避免應(yīng)力集中，從而提高合金的強(qiáng)度和韌性。在經(jīng)過熱擠壓加工的Mg-RE-Zn系合金中，LPSO相被破碎成細(xì)小顆粒并均勻分布在基體中，合金的強(qiáng)度和韌性都得到了顯著提高。LPSO相的形狀也會(huì)影響彌散強(qiáng)化效果。片狀或纖維狀的LPSO相在某些方向上對(duì)合金的強(qiáng)化效果更為突出。在軋制后的Mg-RE-Zn系合金中，纖維狀的LPSO相沿著軋制方向排列，在該方向上對(duì)合金的強(qiáng)化作用明顯增強(qiáng)，使合金在軋制方向上的強(qiáng)度顯著提高。LPSO相的彌散強(qiáng)化作用還與合金的變形溫度和應(yīng)變速率有關(guān)。在高溫和低應(yīng)變速率條件下，位錯(cuò)具有較高的活動(dòng)能力，可能會(huì)通過攀移等方式越過LPSO相粒子，從而降低彌散強(qiáng)化效果。而在低溫和高應(yīng)變速率條件下，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受到的限制更大，LPSO相的彌散強(qiáng)化作用更加顯著。在低溫下對(duì)Mg-4Y-4Zn合金進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí)，LPSO相的彌散強(qiáng)化作用使得合金的強(qiáng)度明顯高于高溫拉伸時(shí)的強(qiáng)度。4.1.3細(xì)晶強(qiáng)化LPSO相在Mg-RE-Zn系合金中能夠通過多種方式促進(jìn)合金的再結(jié)晶，從而細(xì)化晶粒，實(shí)現(xiàn)細(xì)晶強(qiáng)化，對(duì)合金的強(qiáng)度和塑性產(chǎn)生積極影響。在熱變形過程中，LPSO相可以作為再結(jié)晶的形核核心，促進(jìn)再結(jié)晶的發(fā)生。LPSO相與鎂基體之間存在一定的界面能，在熱變形時(shí)，位錯(cuò)會(huì)在LPSO相周圍堆積，形成較高的位錯(cuò)密度。這些高位錯(cuò)密度區(qū)域?yàn)樵俳Y(jié)晶提供了有利的形核位置，使得新的晶粒能夠在LPSO相周圍優(yōu)先形核。在對(duì)Mg-6Y-2Zn合金進(jìn)行熱擠壓時(shí)，LPSO相周圍的位錯(cuò)堆積促使再結(jié)晶晶粒在其附近大量形核，從而細(xì)化了合金的晶粒。隨著LPSO相含量的增加，提供的形核核心增多，合金的晶粒細(xì)化效果更加明顯。在含有較多LPSO相的Mg-8Y-2Zn合金中，熱擠壓后合金的平均晶粒尺寸明顯小于LPSO相含量較少的合金。LPSO相還可以通過阻礙再結(jié)晶晶粒的長大來細(xì)化晶粒。在再結(jié)晶過程中，晶粒會(huì)不斷長大以降低系統(tǒng)的能量。LPSO相的存在會(huì)阻礙晶界的遷移，因?yàn)榫Ы缭谶w移過程中遇到LPSO相時(shí)，需要消耗額外的能量才能推動(dòng)LPSO相一起移動(dòng)。這種阻礙作用使得再結(jié)晶晶粒的長大受到抑制，從而使合金保持細(xì)小的晶粒組織。在對(duì)Mg-5Y-5Zn合金進(jìn)行熱處理時(shí)，LPSO相有效地阻礙了再結(jié)晶晶粒的長大，使得合金在熱處理后仍能保持細(xì)小的晶粒尺寸。細(xì)晶強(qiáng)化對(duì)合金的強(qiáng)度和塑性有著顯著影響。根據(jù)Hall-Petch關(guān)系，晶粒尺寸越小，晶界面積越大，晶界對(duì)變形的阻礙作用越強(qiáng)，合金的強(qiáng)度越高。細(xì)小的晶粒還可以使合金在變形過程中應(yīng)變分布更加均勻，減少應(yīng)力集中，從而提高合金的塑性。在含有細(xì)小晶粒的Mg-RE-Zn系合金中，合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都有明顯提高，同時(shí)伸長率也有所增加。在熱擠壓后的Mg-4Y-4Zn合金中，由于LPSO相的細(xì)晶強(qiáng)化作用，合金的晶粒得到細(xì)化，屈服強(qiáng)度從180MPa提高到220MPa，伸長率從8%提高到12%。4.2對(duì)塑性和韌性的影響4.2.1LPSO相形態(tài)與分布的作用LPSO相的形態(tài)與分布對(duì)Mg-RE-Zn系合金的塑性變形和裂紋擴(kuò)展有著顯著的影響，不同的形態(tài)和分布特征會(huì)導(dǎo)致合金在受力過程中呈現(xiàn)出不同的變形行為和裂紋擴(kuò)展路徑。當(dāng)LPSO相以細(xì)小顆粒狀均勻分布在晶內(nèi)時(shí)，對(duì)合金的塑性變形具有積極的促進(jìn)作用。在Mg-5Y-5Zn合金中，細(xì)小顆粒狀的LPSO相均勻彌散在α-Mg晶粒內(nèi)部。在塑性變形過程中，這些細(xì)小的LPSO相粒子能夠作為位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙，使位錯(cuò)在粒子周圍發(fā)生塞積和交互作用。位錯(cuò)的塞積和交互作用會(huì)導(dǎo)致位錯(cuò)密度增加，從而促進(jìn)了位錯(cuò)的滑移和攀移等運(yùn)動(dòng)方式，使得合金能夠通過更多的滑移系進(jìn)行塑性變形。這種多滑移系的開動(dòng)可以協(xié)調(diào)合金的變形，減少應(yīng)力集中，提高合金的塑性。細(xì)小顆粒狀的LPSO相均勻分布還能使合金在變形過程中應(yīng)力分布更加均勻，進(jìn)一步增強(qiáng)了合金的塑性變形能力。如果LPSO相以粗大顆粒狀不均勻分布在晶內(nèi)或晶界處，會(huì)對(duì)合金的塑性產(chǎn)生不利影響。在一些合金中，粗大的LPSO相顆粒在晶內(nèi)聚集，形成較大的第二相粒子團(tuán)。在塑性變形時(shí)，位錯(cuò)難以繞過這些粗大的粒子團(tuán)，容易在粒子團(tuán)周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中。當(dāng)應(yīng)力集中達(dá)到一定程度時(shí)，會(huì)導(dǎo)致粒子與基體之間的界面開裂，形成微裂紋。這些微裂紋會(huì)成為裂紋源，隨著變形的繼續(xù)，微裂紋不斷擴(kuò)展和連接，最終導(dǎo)致合金的斷裂，降低了合金的塑性。在晶界處分布的粗大LPSO相顆粒，由于晶界本身就是材料的薄弱環(huán)節(jié)，粗大的LPSO相顆粒會(huì)進(jìn)一步削弱晶界的強(qiáng)度，使得晶界在受力時(shí)更容易發(fā)生開裂，從而嚴(yán)重影響合金的塑性。LPSO相的形態(tài)也會(huì)影響合金的裂紋擴(kuò)展。片狀LPSO相在一定程度上能夠阻礙裂紋的擴(kuò)展。在Mg-6Y-2Zn合金中，片狀LPSO相沿著特定晶面生長，當(dāng)裂紋擴(kuò)展遇到片狀LPSO相時(shí)，裂紋需要改變擴(kuò)展方向，繞過LPSO相繼續(xù)擴(kuò)展。這種裂紋擴(kuò)展方向的改變?cè)黾恿肆鸭y擴(kuò)展的路徑和能量消耗，從而阻礙了裂紋的快速擴(kuò)展，提高了合金的韌性。如果片狀LPSO相的取向與裂紋擴(kuò)展方向平行，那么裂紋可能會(huì)沿著LPSO相與基體的界面快速擴(kuò)展，降低合金的韌性。纖維狀LPSO相在合金中具有較好的增強(qiáng)效果，能夠有效阻礙裂紋擴(kuò)展。在經(jīng)過熱擠壓加工的Mg-RE-Zn系合金中，纖維狀LPSO相沿著擠壓方向排列。當(dāng)裂紋擴(kuò)展遇到纖維狀LPSO相時(shí)，由于纖維狀LPSO相的長徑比較大，裂紋難以穿過，只能沿著纖維狀LPSO相的界面擴(kuò)展。這種沿著界面的擴(kuò)展方式增加了裂紋擴(kuò)展的難度，提高了合金的韌性。纖維狀LPSO相還能在受力過程中承擔(dān)部分載荷，分散應(yīng)力，減少裂紋尖端的應(yīng)力集中，進(jìn)一步抑制裂紋的擴(kuò)展。4.2.2相界面的影響LPSO相與基體之間的相界面特性對(duì)Mg-RE-Zn系合金的塑性和韌性有著至關(guān)重要的影響，相界面的結(jié)合強(qiáng)度、共格性以及界面能等因素都會(huì)改變合金在受力過程中的變形行為和裂紋擴(kuò)展方式。相界面的結(jié)合強(qiáng)度是影響合金塑性和韌性的關(guān)鍵因素之一。當(dāng)LPSO相與基體之間具有較高的結(jié)合強(qiáng)度時(shí)，在合金受力變形過程中，LPSO相能夠有效地與基體協(xié)同變形。在拉伸試驗(yàn)中，位錯(cuò)在基體中運(yùn)動(dòng)到LPSO相界面時(shí)，由于界面結(jié)合強(qiáng)度高，位錯(cuò)可以順利地穿過界面進(jìn)入LPSO相，或者在界面處發(fā)生塞積和交互作用，促使位錯(cuò)開動(dòng)更多的滑移系進(jìn)行變形。這種協(xié)同變形機(jī)制使得合金能夠均勻地承受外力，減少應(yīng)力集中，從而提高合金的塑性和韌性。在Mg-5Y-5Zn合金中，LPSO相與基體之間結(jié)合強(qiáng)度較高，合金在拉伸過程中，LPSO相能夠與基體共同承擔(dān)載荷，位錯(cuò)在相界面處的運(yùn)動(dòng)較為順暢，合金表現(xiàn)出較好的塑性和韌性。如果LPSO相與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度較低，在受力時(shí)相界面容易發(fā)生脫粘。在變形過程中，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到相界面時(shí)，由于界面結(jié)合力不足，位錯(cuò)無法穿過界面，導(dǎo)致應(yīng)力在界面處集中。當(dāng)應(yīng)力集中超過一定程度時(shí)，相界面就會(huì)發(fā)生脫粘，形成微裂紋。這些微裂紋會(huì)成為裂紋源，隨著變形的繼續(xù)，微裂紋不斷擴(kuò)展和連接，最終導(dǎo)致合金的斷裂，降低合金的塑性和韌性。在一些合金中，由于制備工藝或合金成分的原因，LPSO相與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度較低，在拉伸試驗(yàn)中，合金在較低的應(yīng)力下就會(huì)出現(xiàn)相界面脫粘現(xiàn)象，導(dǎo)致合金的塑性和韌性明顯下降。LPSO相與基體之間的共格性也會(huì)對(duì)合金的塑性和韌性產(chǎn)生影響。共格界面是指相界面兩側(cè)的原子排列具有一定的連續(xù)性和匹配性。當(dāng)LPSO相與基體之間存在共格界面時(shí)，位錯(cuò)在穿過相界面時(shí)所受到的阻力較小，能夠較為順利地在基體和LPSO相之間傳遞。這種共格界面有利于合金的均勻變形，提高合金的塑性。在含有共格界面的Mg-6Y-2Zn合金中，位錯(cuò)可以在基體和LPSO相之間自由穿梭，合金在變形過程中能夠保持較好的連續(xù)性，塑性得到提高。非共格界面由于原子排列的不匹配，位錯(cuò)在穿過界面時(shí)會(huì)受到較大的阻力，容易在界面處產(chǎn)生應(yīng)力集中。非共格界面還可能導(dǎo)致LPSO相與基體之間的變形不協(xié)調(diào)，從而降低合金的塑性和韌性。相界面能也是影響合金性能的重要因素。較低的相界面能有利于LPSO相在基體中的穩(wěn)定存在，減少相界面處的能量不均勻性。在這種情況下，合金在受力變形時(shí)，相界面處不容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，有利于提高合金的塑性和韌性。而較高的相界面能會(huì)使相界面成為能量的聚集區(qū)域，在受力時(shí)容易引發(fā)裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，降低合金的塑性和韌性。通過優(yōu)化合金成分和制備工藝，可以降低LPSO相與基體之間的相界面能，從而改善合金的塑性和韌性。4.3不同條件下的力學(xué)性能表現(xiàn)4.3.1室溫力學(xué)性能含不同LPSO相的Mg-RE-Zn系合金在室溫下的拉伸、壓縮和彎曲等力學(xué)性能表現(xiàn)出明顯差異，這些差異與LPSO相的含量、形態(tài)和分布密切相關(guān)。在拉伸性能方面，隨著LPSO相含量的增加，合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度通常會(huì)顯著提高。在Mg-5Y-5Zn合金中，當(dāng)LPSO相含量從10%增加到20%時(shí)，合金的屈服強(qiáng)度從180MPa提高到220MPa，抗拉強(qiáng)度從250MPa提升至300MPa。這是因?yàn)長PSO相作為第二相粒子，通過固溶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化等多種機(jī)制阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，提高了合金的強(qiáng)度。細(xì)小且均勻分布的LPSO相能更有效地發(fā)揮強(qiáng)化作用，使合金在拉伸過程中需要更大的外力才能發(fā)生塑性變形。如果LPSO相的形態(tài)和分布不合理，可能會(huì)對(duì)合金的塑性產(chǎn)生負(fù)面影響。當(dāng)LPSO相以粗大顆粒狀不均勻分布時(shí)，在拉伸過程中容易在顆粒周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂紋的萌生和擴(kuò)展，降低合金的伸長率。在含有粗大LPSO相顆粒的Mg-6Y-2Zn合金中，合金的伸長率僅為5%，明顯低于LPSO相細(xì)小均勻分布的合金。合金的壓縮性能也受到LPSO相的顯著影響。含LPSO相的合金通常具有較高的抗壓強(qiáng)度。在Mg-8Y-2Zn合金中，LPSO相的存在使合金的抗壓強(qiáng)度達(dá)到450MPa，相比不含LPSO相的合金有大幅提升。這是因?yàn)長PSO相可以阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，增加合金在壓縮過程中的變形抗力。LPSO相還能抑制變形孿晶的產(chǎn)生和發(fā)展，使合金在壓縮變形時(shí)更加均勻，提高了合金的壓縮性能。在壓縮過程中，LPSO相的形態(tài)和分布會(huì)影響合金的變形方式。片狀LPSO相在壓縮時(shí)可能會(huì)發(fā)生扭折，通過扭折變形來協(xié)調(diào)合金的變形，而塊狀LPSO相則主要通過阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)來提高合金的壓縮性能。在彎曲性能方面，LPSO相的存在可以提高合金的抗彎強(qiáng)度。在Mg-4Y-4Zn合金中，LPSO相的彌散分布使合金的抗彎強(qiáng)度從150MPa提高到200MPa。這是因?yàn)長PSO相能夠增強(qiáng)合金的整體強(qiáng)度，在彎曲過程中抵抗彎曲應(yīng)力的作用。LPSO相還可以改善合金的韌性，減少彎曲過程中裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，使合金能夠承受更大的彎曲變形。如果LPSO相在晶界處分布不均勻，可能會(huì)導(dǎo)致合金在彎曲時(shí)晶界處應(yīng)力集中，降低合金的彎曲性能。在晶界處LPSO相聚集較多的Mg-5Y-5Zn合金中，合金在彎曲時(shí)容易在晶界處開裂，抗彎強(qiáng)度和彎曲韌性都較低。4.3.2高溫力學(xué)性能在高溫環(huán)境下，LPSO相的穩(wěn)定性對(duì)Mg-RE-Zn系合金的力學(xué)性能有著至關(guān)重要的影響。當(dāng)溫度升高時(shí)，原子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，LPSO相的晶體結(jié)構(gòu)和與基體的界面結(jié)合情況會(huì)發(fā)生變化，從而改變合金的力學(xué)性能。LPSO相在高溫下的穩(wěn)定性與其晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分密切相關(guān)。18R型LPSO相由于其較為復(fù)雜的原子堆垛方式和較高的原子間結(jié)合力，在高溫下通常具有較好的穩(wěn)定性。在Mg-6Y-2Zn合金中，18R型LPSO相在300℃的高溫下仍能保持其晶體結(jié)構(gòu)的完整性，有效地發(fā)揮強(qiáng)化作用。而14H型LPSO相在高溫下的穩(wěn)定性相對(duì)較差，當(dāng)溫度升高到一定程度時(shí)，可能會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變或分解。在Mg-5Y-5Zn合金中，當(dāng)溫度升高到350℃時(shí)，14H型LPSO相開始發(fā)生分解，導(dǎo)致其強(qiáng)化效果減弱。LPSO相在高溫下的穩(wěn)定性還會(huì)影響合金的蠕變性能。蠕變是指材料在恒定溫度和應(yīng)力作用下，隨時(shí)間逐漸發(fā)生塑性變形的現(xiàn)象。在高溫蠕變過程中，穩(wěn)定的LPSO相能夠有效地阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，抑制位錯(cuò)的攀移和滑移，從而提高合金的抗蠕變能力。在含有穩(wěn)定18R型LPSO相的Mg-8Y-2Zn合金中，合金在300℃、50MPa的應(yīng)力條件下，蠕變速率明顯低于LPSO相不穩(wěn)定的合金。這是因?yàn)?8R型LPSO相能夠在高溫下保持其對(duì)晶界的釘扎作用，阻止晶界的滑動(dòng)，從而減緩了合金的蠕變變形。如果LPSO相在高溫下不穩(wěn)定，發(fā)生分解或結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，會(huì)導(dǎo)致合金的抗蠕變性能下降。當(dāng)14H型LPSO相在高溫下分解后，合金中的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)失去了有效的阻礙，位錯(cuò)容易在高溫和應(yīng)力作用下發(fā)生攀移和滑移，導(dǎo)致合金的蠕變速率增加。在Mg-5Y-5Zn合金中，當(dāng)14H型LPSO相在高溫下分解后，合金在350℃、50MPa的應(yīng)力條件下，蠕變速率顯著增大，合金的抗蠕變性能明顯降低。LPSO相在高溫下的穩(wěn)定性還會(huì)影響合金的疲勞性能。在高溫疲勞過程中，穩(wěn)定的LPSO相可以阻止疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，提高合金的疲勞壽命。穩(wěn)定的LPSO相能夠分散應(yīng)力，減少應(yīng)力集中，使合金在循環(huán)加載過程中更不容易產(chǎn)生疲勞裂紋。而不穩(wěn)定的LPSO相在高溫下可能會(huì)與基體發(fā)生脫粘或分解，形成微裂紋，加速疲勞裂紋的擴(kuò)展，降低合金的疲勞壽命。在高溫疲勞試驗(yàn)中，含有不穩(wěn)定LPSO相的合金在較少的循環(huán)次數(shù)下就會(huì)發(fā)生疲勞斷裂，而含有穩(wěn)定LPSO相的合金則具有更長的疲勞壽命。五、實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)據(jù)分析5.1實(shí)驗(yàn)材料與方法本實(shí)驗(yàn)旨在深入研究Mg-RE-Zn系合金中長周期堆垛有序（LPSO）相的調(diào)控及其對(duì)力學(xué)性能的影響，采用的合金成分設(shè)計(jì)是實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵起點(diǎn)。基于前期研究以及相關(guān)文獻(xiàn)資料，選用工業(yè)純鎂（Mg，純度99.9%）、純鋅（Zn，純度99.9%）以及稀土中間合金（Mg-25Y、Mg-20Gd等）作為原材料。為探究不同合金成分對(duì)LPSO相形成與演變的影響，設(shè)計(jì)了三組不同成分的合金，具體成分如表1所示：表1：實(shí)驗(yàn)合金成分（wt.%）合金編號(hào)MgYGdZnAl