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Mg-RE-Zn系合金中长周期堆垛有序相的调控及力学性能关联研究

一、引言

1.1研究背景与意义

镁合金作为目前最轻的金属结构材料，因其密度低、比强度和比刚度高、阻尼性能好、电磁屏蔽能力强以及易于回收等一系列优点，在航空航天、汽车、电子等领域展现出了广阔的应用前景，被誉为“21世纪的绿色工程材料”。然而，由于镁合金具有密排六方（HCP）晶体结构，独立滑移系较少，这使得其室温塑性变形能力较差，强度和韧性也有待进一步提高，严重限制了其在一些对材料性能要求较高领域的广泛应用。

为了改善镁合金的综合性能，科研人员进行了大量的研究工作。其中，合金化是一种常用且有效的方法。在众多合金体系中，Mg-RE-Zn系合金因其优异的综合力学性能而受到了广泛关注。稀土元素（RE）的加入可以细化镁合金的晶粒，提高其强度和耐热性能；锌（Zn）的添加则可以与稀土元素形成多种金属间化合物，进一步强化合金。在Mg-RE-Zn系合金中，长周期堆垛有序（LPSO）相的出现为提升合金性能提供了新的途径。

LPSO相是一种特殊的晶体结构，其原子堆垛方式不同于传统的镁合金相结构。这种相具有独特的层状有序结构，通常由镁原子层和富含稀土元素及锌原子的层交替排列而成。LPSO相的存在对Mg-RE-Zn系合金的力学性能有着显著的影响。一方面，LPSO相可以通过多种强化机制来提高合金的强度。例如，其本身具有较高的硬度和强度，能够作为第二相粒子阻碍位错运动，从而实现第二相强化；LPSO相的层状结构可以有效地阻碍位错滑移，增加位错运动的阻力，提高合金的强度。另一方面，LPSO相还可以通过促进动态再结晶的发生来细化晶粒，实现细晶强化，进一步提高合金的强度和韧性。研究表明，在一些Mg-RE-Zn系合金中，当LPSO相的含量和分布适当时，合金的抗拉强度可以达到500MPa以上，远远超过了传统镁合金的强度水平。

尽管LPSO相能够显著提升Mg-RE-Zn系合金的力学性能，但目前对于LPSO相的形成机制、调控方法以及其与合金力学性能之间的内在关系仍缺乏深入系统的认识。不同的制备工艺和合金成分会导致LPSO相的形态、尺寸、分布以及含量产生很大差异，进而对合金的力学性能产生不同的影响。因此，深入研究Mg-RE-Zn系合金中LPSO相的调控及其对力学性能的影响具有重要的理论意义和实际应用价值。

从理论意义层面来看，深入探究LPSO相在Mg-RE-Zn系合金中的形成机制、生长规律以及与位错、晶界等晶体缺陷的相互作用机制，有助于进一步完善镁合金的强化理论，丰富材料科学领域中关于复杂晶体结构与性能关系的研究内容，为新型镁合金材料的设计和开发提供坚实的理论基础。

在实际应用方面，通过对LPSO相的有效调控，可以显著提高Mg-RE-Zn系合金的力学性能，从而拓展镁合金在航空航天、汽车制造等高端领域的应用范围。在航空航天领域，对材料的轻量化和高强度要求极为苛刻，高性能的Mg-RE-Zn系合金有望用于制造飞机的机翼、机身结构件以及发动机零部件等，在减轻结构重量的同时提高其承载能力和可靠性，进而降低能耗、提高飞行性能。在汽车工业中，采用Mg-RE-Zn系合金制造汽车零部件，如发动机缸体、变速器壳体等，不仅可以减轻汽车自重，提高燃油经济性，还能减少尾气排放，符合当前汽车行业节能减排的发展趋势。此外，在电子设备领域，镁合金良好的电磁屏蔽性能和散热性能使其成为制造手机、电脑等电子产品外壳的理想材料，通过优化Mg-RE-Zn系合金的性能，可以进一步提升电子产品的综合性能和市场竞争力。

综上所述，开展Mg-RE-Zn系合金中LPSO相的调控及其对力学性能影响的研究，对于推动镁合金材料科学的发展以及拓展其在各领域的实际应用具有重要意义。

1.2Mg-RE-Zn系合金及LPSO相概述

Mg-RE-Zn系合金是以镁（Mg）为基体，添加稀土元素（RE）和锌（Zn）形成的一类合金。稀土元素种类繁多，常见添加到镁合金中的有钇（Y）、钆（Gd）、镝（Dy）、铒（Er）等。这些稀土元素原子半径较大，与镁原子半径存在一定差异，在合金中可产生固溶强化效果。当稀土元素溶解于镁基体中时，会使镁基体晶格发生畸变，增加位错运动的阻力，从而提高合金的强度和硬度。例如，在Mg-Gd系合金中，随着Gd含量的增加，合金的室温抗拉强度和屈服强度都有显著提升。同时，稀土元素在晶界处的偏聚可以阻碍晶界的迁移，抑制晶粒的长大，细化合金的晶粒组织。细晶强化是提高材料综合性能的重要途径之一，细小的晶粒可以增加晶界面积，晶界对变形的阻碍作用更强，使合金在提高强度的同时，韧性也能得到一定程度的改善。此外，稀土元素还可以降低镁合金在液