在結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域，輕量化與高可靠性的雙重需求正持續(xù)推高對(duì)新一代鎂合金體系的性能要求。以稀土鎂合金為代表的先進(jìn)材料，憑借低密度和潛在的高比強(qiáng)度，在航空航天、交通運(yùn)輸及極端工況裝備中展現(xiàn)出重要應(yīng)用前景。然而現(xiàn)有研究與工程實(shí)踐表明，鎂合金在強(qiáng)度、塑性與斷裂韌性之間仍存在顯著的“性能制衡”瓶頸：通過成分設(shè)計(jì)和組織調(diào)控提升強(qiáng)度，往往伴隨著脆性增加和失效風(fēng)險(xiǎn)上升；而在動(dòng)態(tài)或沖擊載荷條件下，這種矛盾進(jìn)一步放大，微觀組織中的第二相、取向織構(gòu)及局部組織非均勻性極易成為裂紋萌生與快速擴(kuò)展的起點(diǎn)，嚴(yán)重制約材料在復(fù)雜服役環(huán)境下的安全應(yīng)用。

在此背景下，系統(tǒng)揭示稀土鎂合金在不同加載速率下的變形與損傷機(jī)理，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)組織結(jié)構(gòu)的可設(shè)計(jì)、可調(diào)控，已成為該領(lǐng)域急需突破的關(guān)鍵方向。從戰(zhàn)略層面看，這不僅關(guān)系到單一材料性能指標(biāo)的提升，更直接支撐裝備關(guān)鍵部件的國(guó)產(chǎn)化與自主可控能力建設(shè)。通過深入理解相結(jié)構(gòu)協(xié)同強(qiáng)化、動(dòng)態(tài)再結(jié)晶及脆性轉(zhuǎn)變行為之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，有望為構(gòu)建兼顧高強(qiáng)度、高韌性與高可靠性的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料體系提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)路徑，從而滿足未來重大工程和極端工況對(duì)材料性能的戰(zhàn)略需求。

針對(duì)上述問題，海外科研團(tuán)隊(duì)利用澤攸科技的ZEM系列臺(tái)式掃描電鏡進(jìn)行了系統(tǒng)研究，該團(tuán)隊(duì)圍繞稀土鎂合金在多應(yīng)變率條件下的變形與失效機(jī)理，首次系統(tǒng)揭示了LPSO相與Zr富集相協(xié)同作用對(duì)強(qiáng)韌性轉(zhuǎn)變和動(dòng)態(tài)脆化行為的影響。

標(biāo)題：Behavior of magnesium alloy Mg-9Gd-4Y-1Zn-0.5Zr (wt.%) after different types of loading

期刊：Letters on materials

網(wǎng)址：https://doi.org/10.48612/letters/2025-4-409-415

微觀組織特征與潛在失效源識(shí)別

本研究首先系統(tǒng)表征了擠壓后Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金的初始組織：LPSO層狀相、再結(jié)晶等軸晶粒與沿晶或晶界富集的Zr-相共同構(gòu)成了復(fù)雜的異質(zhì)微結(jié)構(gòu)。通過定量分析相分布與形貌，團(tuán)隊(duì)識(shí)別出Zr-富集相和粗大第二相作為應(yīng)力集中與裂紋萌生的主要微觀位點(diǎn)，指出在宏觀力學(xué)性能提升的同時(shí)，這些非均勻相和織構(gòu)會(huì)增加局部脆化風(fēng)險(xiǎn)，為后續(xù)速率敏感性試驗(yàn)提供了靶向觀測(cè)區(qū)域。

圖 樣品初始狀態(tài)下沿縱向的掃描電鏡（SEM）圖像（箭頭表示擠壓方向）（a）；在應(yīng)變率為 0.1 s?1 的靜態(tài)壓縮條件下，樣品橫截面的 SEM 圖像（b）；同一應(yīng)變率下樣品縱截面的 SEM 圖像（箭頭表示壓縮方向）（c）

應(yīng)變率依賴的變形機(jī)制與組織演化

在覆蓋準(zhǔn)靜態(tài)到?jīng)_擊速率的系統(tǒng)載荷試驗(yàn)中，研究揭示出隨應(yīng)變率增加材料由位錯(cuò)滑移主導(dǎo)的可塑變形逐步向動(dòng)態(tài)再結(jié)晶與局部剪切帶并存的復(fù)雜機(jī)理過渡：中等速率下表現(xiàn)為晶粒細(xì)化與硬化，而在高應(yīng)變率下出現(xiàn)局部熱軟化、晶粒粗化與裂紋密集化現(xiàn)象。為準(zhǔn)確追蹤這些演化過程，團(tuán)隊(duì)對(duì)變形前后樣品進(jìn)行了高分辨組織學(xué)對(duì)比，其中借助澤攸科技ZEM系列掃描電鏡的細(xì)觀成像與成分分析，明確了速率驅(qū)動(dòng)下相態(tài)、滑移帶與DRX區(qū)的空間關(guān)系。

圖 樣品在應(yīng)變率為 0.001 s?1 條件下靜態(tài)壓縮后的 C_DIC 圖像（a）；樣品在應(yīng)變率為 0.1 s?1 條件下沿縱向靜態(tài)壓縮后的掃描電鏡（SEM）圖像（b）。箭頭表示壓縮方向。

裂紋萌生位置與斷裂模式轉(zhuǎn)變

針對(duì)斷裂行為的定位研究表明：低速載荷下合金以韌性或韌脆混合斷裂為主，而在高速?zèng)_擊條件下，裂紋常以Zr-富集相附近為起點(diǎn)并迅速沿特定面解理擴(kuò)展，斷裂形貌由杯錐與延性頸縮向解理臺(tái)階、河流花紋等脆性特征轉(zhuǎn)變。斷口與斷裂路徑的原位與事后分析支持“局部第二相—應(yīng)變率—熱軟化”耦合導(dǎo)致脆化突發(fā)的判定，為工程評(píng)估提供了直接的破壞鏈路圖譜。

圖 樣品在應(yīng)變率為 2400 s?1 的 SHPB 試驗(yàn)后的掃描電鏡（SEM）圖像（a）；樣品在應(yīng)變率為 5970 s?1 的 SHPB 試驗(yàn)后的光學(xué)顯微圖像（b）；樣品經(jīng) Taylor 沖擊試驗(yàn)后的掃描電鏡（SEM）圖像（c）；樣品經(jīng) Taylor 沖擊試驗(yàn)后的 C_DIC 圖像（d）。箭頭表示壓縮方向。

圖 樣品在應(yīng)變率為 0.1 s?1 的靜態(tài)壓縮試驗(yàn)后的斷口形貌（插圖為放大 5 倍的局部細(xì)節(jié)）（a）；樣品在應(yīng)變率為 2400 s?1 的 SHPB 試驗(yàn)后的斷口形貌（b）；樣品經(jīng) Taylor 沖擊試驗(yàn)后的斷口形貌（插圖為放大 3 倍的局部細(xì)節(jié)）（c）。

針對(duì)性的材料設(shè)計(jì)與工程應(yīng)用建議

基于上述機(jī)理洞見，研究提出了兼顧強(qiáng)度與韌性的協(xié)同調(diào)控策略：通過精細(xì)化LPSO相形態(tài)控制、限制Zr相關(guān)第二相的尺寸與連通性、以及在熱機(jī)械加工中優(yōu)化再結(jié)晶行為，構(gòu)建既能提供增強(qiáng)效應(yīng)又具備損傷容限的異質(zhì)微結(jié)構(gòu)。該策略既指向微觀相工程的可行路徑，也為在航空航天與運(yùn)輸?shù)葮O端工況下實(shí)現(xiàn)輕量化結(jié)構(gòu)部件的可靠化設(shè)計(jì)提供了可操作的材料學(xué)依據(jù)。

澤攸科技ZEM系列掃描電鏡是一款集成度高、便攜性強(qiáng)且經(jīng)濟(jì)實(shí)用的科研設(shè)備。它具備快速抽真空、高成像速度、多樣的信號(hào)探測(cè)器選擇，適用于形貌觀測(cè)和成分分析，還能適配多種原位實(shí)驗(yàn)需求。該設(shè)備對(duì)安裝環(huán)境要求低，不挑樓層，操作簡(jiǎn)單，非專業(yè)人士也能快速上手，能夠更廣泛地應(yīng)用于新材料研發(fā)、生命科學(xué)、失效分析、工業(yè)質(zhì)檢等多個(gè)領(lǐng)域，為廣大科研院所和企業(yè)用戶提供了一套兼具高性能與高性價(jià)比的強(qiáng)大微觀表征解決方案。