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多稀土复合添加及预冷轧对Mg-Gd基合金时效硬化行为的综合探究

一、引言

1.1研究背景与意义

镁合金作为目前密度最小的金属结构材料，具有比强度和比刚度高、电磁屏蔽性好、易切削加工及易回收等一系列优点，在航空航天、汽车、电子等工业领域展现出广阔的应用前景，被誉为21世纪的绿色工程材料。然而，镁合金的强度和硬度较低，尤其是在高温环境下，其力学性能下降明显，这在很大程度上限制了其更为广泛的应用。

Mg-Gd基合金作为一种重要的镁合金体系，因Gd元素的加入展现出诸多优异特性。Gd属于重稀土元素，原子半径较大，与镁原子半径存在明显差异。当Gd融入镁基体时，会产生较大的晶格畸变，进而起到显著的固溶强化作用，大幅提升合金的强度和硬度。同时，Gd还能有效提高合金的再结晶温度，增强合金在高温下的热稳定性，抑制高温变形过程中的晶粒长大现象，使得Mg-Gd基合金在高温环境中仍能保持较好的力学性能。此外，在时效过程中，Gd会促使合金中析出弥散分布的纳米级沉淀相，这些沉淀相能够阻碍位错运动，通过析出强化机制进一步提升合金的强度。凭借这些优势，Mg-Gd基合金在对材料性能要求严苛的航空航天、高端汽车制造等领域具有极大的应用潜力，成为近年来镁合金研究领域的热点之一。

尽管Mg-Gd基合金具备上述优势，但单一稀土元素的添加在性能提升方面存在一定局限性。为了进一步优化其性能，多稀土复合添加成为研究的新方向。不同稀土元素在合金中具有不同的作用机制，复合添加时可产生协同效应。例如，某些稀土元素可细化晶粒，改善合金的组织结构；有的能促进特定沉淀相的析出，增强析出强化效果；还有的可提高合金的抗氧化性能和耐腐蚀性能。通过合理搭配多种稀土元素，有望实现对Mg-Gd基合金性能的全方位提升，使其在更多领域得到应用。

除了合金化手段，预冷轧作为一种重要的塑性变形方式，也能对Mg-Gd基合金的性能产生显著影响。预冷轧过程中，合金内部会引入大量位错、孪晶等晶体缺陷，这些缺陷不仅增加了位错运动的阻力，产生加工硬化效果，提高合金的强度，还能为后续时效过程中的沉淀相析出提供更多的形核位点，促进沉淀相的均匀弥散析出，从而进一步提高合金的强度和硬度。同时，预冷轧还可以改变合金的织构，优化合金的各向异性，提升合金的综合力学性能。

深入研究多稀土复合添加及预冷轧对Mg-Gd基合金时效硬化行为的影响具有至关重要的意义。从学术研究角度来看，目前对于多稀土元素在Mg-Gd基合金中的协同作用机制以及预冷轧与时效硬化之间的相互关系尚未完全明晰，开展相关研究能够丰富和完善镁合金材料科学的理论体系，为后续研究提供重要的理论基础。从实际应用角度出发，通过揭示这些因素对时效硬化行为的影响规律，可以为高性能Mg-Gd基合金的成分设计和制备工艺优化提供科学依据，有助于开发出具有更高强度、更好韧性和更优异综合性能的镁合金材料，满足航空航天、汽车、电子等领域对高性能结构材料日益增长的需求，推动相关产业的技术进步和发展，具有显著的经济效益和社会效益。

1.2Mg-Gd基合金时效硬化行为原理

Mg-Gd基合金的时效硬化行为是一个复杂且有序的过程，其本质是通过时效处理，使合金内部的微观组织结构发生一系列变化，从而实现强度和硬度的提升。

在时效初期，Mg-Gd基合金处于固溶状态，Gd原子均匀地溶解在镁的晶格中，形成过饱和固溶体。由于Gd原子半径与镁原子半径存在较大差异，这种固溶状态会在合金内部产生晶格畸变，增加位错运动的阻力，从而使合金获得一定程度的固溶强化效果。然而，这种过饱和固溶体在热力学上是不稳定的，随着时效过程的进行，会逐渐发生分解。

时效过程中，合金首先会经历溶质原子的偏聚阶段，Gd原子开始从过饱和固溶体中偏聚形成溶质原子团簇，即GP区。这些GP区与基体保持共格关系，尺寸较小，通常在几纳米到几十纳米之间。虽然GP区的形成对合金强度的提升作用相对较小，但它们为后续析出相的形核提供了基础，是时效硬化过程中的重要阶段。

随着时效时间的延长和温度的升高，GP区逐渐转变为亚稳的β相（Mg?Gd）。β相具有体心正交结构，与镁基体保持共格或半共格关系。由于β相与基体之间的共格或半共格界面能以及β相本身对位错运动的阻碍作用，使得合金的强度和硬度显著提高，此时合金进入时效硬化阶段。β相的析出是Mg-Gd基合金时效硬化的关键步骤，其尺寸、形态、分布以及与基体的界面关系等因素，对合金的力学性能有着重要影响。

在时效后期，亚稳的β相逐渐向稳定的β相（Mg?Gd）转变。β相具有面心立方结构，与基体完全非共格。由于β相与基体之间不存在共格约束，其对位错运动的阻碍作用相对较弱，因此β相的大量析出会导致合金强度和硬度的