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导读：高强度的Mg-Ca和/或Mg-Ce基合金已经得到了很好的发展，但这些镁合金的热稳定性以前很少被研究。本文研制了一种新型的Mg-0.8Ca-0.7Mn-0.2Ce合金，具有良好的热稳定性。在300℃下退火6h后，该合金的屈服强度仍能保持在~322MPa。相关研究结果可为开发既具有超高强度又具有高热稳定性的新型镁变形合金提供重要指导。
作为最轻的结构金属材料，镁合金在汽车和航空航天等领域得到了广泛的关注。然而，镁合金制品的塑性有限，热稳定性差，绝对强度低，在实际应用中仍然存在着巨大的挑战。众所周知，稀土元素可以提高镁合金的强度和热稳定性，但稀土的高价格限制了其大规模的工业应用。因此，开发新型的低稀土镁合金具有很大的商业价值，它也表现出与传统高稀土镁基合金相似的强度。
铈（Ce）和钙（Ca）是镁合金中的两种重要元素，通过热机械加工可以有效地细化晶粒，从而提高镁合金的绝对强度。因为Ca是一种廉价的非稀土元素，Ce也是相对廉价的轻稀土元素，开发Mg-Ca和/或Mg-Ce基合金具有成本效益，最近已经开展了几项工作。例如，有报道称，Mg-Ca基合金经挤压加工后可表现出约440 MPa的高屈服强度。通过添加适量的铝和锌元素，研制的Mg-Ca-Al-Zn合金具有良好的强度和延展性，屈服强度约为425MPa，延伸率约为11%。对于含Ce的镁合金，最新报道的Mg-0.2Ce-0.05Al（重量百分比）稀释合金也能表现出约365 MPa的高强度，并且发现Ce和Al原子沿位错的溶质共分离对细小的动态再结晶（DRX）晶粒有很大贡献。此外，锰元素在镁合金中也有类似的晶粒细化效果。例如，有报道称，在Mg-6Zn-0.3Ca wt%合金中添加~2 wt%的Mn，可以产生非常细化的DRX晶粒，平均尺寸仅为~1.3μm。在Mg基体中形成大量细小的α-Mn沉淀可以有效地抑制挤压过程中DRX晶粒的生长。据报道，在Mg-Ce-Mn三元合金中，α-Mn颗粒可以沿着Mg12Ce相动态共沉淀，这有助于进一步提高晶界运动阻力，并导致高强度。
在此，东北大学材料科学与工程学院的Hucheng Pan等人在Mg-0.8Ca-0.2Ce-xMn wt%基变形合金中设计了约0.4 wt%和约0.7 wt%的两种Mn元素成分，目的是阐明添加Mn在抑制Mg-Ca-Ce基合金中DRX晶粒生长中的作用。结果制备出了一种具有优异热稳定性的新型Mg-0.8Ca-0.7Mn-0.2Ce wt%合金。在300℃下退火6h后，该合金的屈服强度仍能保持在~322MPa。相关研究成果以题“Development of Mg-Ca-Mn-Ce wrought alloy with both high strength and high thermal stability”发表在材料顶刊Materials Characterization上。
链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1044580322002042
本文研究了挤压态和退火态Mg-0.8Ca-xMn-0.2Ce（x=0.4,0.7）wt%合金的微观结构和力学性能，它们被命名为XME04和XME07。由于高比例的变形晶粒和高密度的残余位错，在挤压态XME04样品中可以获得约428 MPa的超高强度。在挤压态XME07合金中添加高锰可以促进动态再结晶，并诱导更多的纳米沉淀。在XME07合金中，更多的纳米Mn析出物可以有效地阻止挤压过程中的晶粒生长，并有助于细化晶粒。结果表明，与XME04合金相比，XME07合金的热稳定性更高，原因是纳米相析出更多、晶粒更细、残余位错密度更低。
挤压态和退火态XME04和XME07合金的拉伸工程应力-应变曲线如图1所示。可以看出，随着退火时间的增加，挤压态XME04合金的强度显著降低，而塑性显著提高。挤压态XME04合金显示约428 MPa的高抗拉屈服强度和约2.0%的有限断裂伸长率。在300°C下退火6小时后，抗拉屈服强度降低至约292 MPa，而断裂伸长率增加至约13.5%。
图1 挤压态和退火态（a）XME04和（b）XME07样品的工程应力-应变曲线。
图2 （a，d，g，j）挤压态XME04合金，（b，e，h，k）退火态XME04-1合金和（c，f，i，l）退火态XME04-6合金的能带对比度图（BC）、逆极图（IPF）、核平均取向差图（KAM）和极图（PF）。结果分别包括BC（a，b，c），IPF（d，e，f），KAM（g，h，i）和PF图（j，k，l）。
图3 （a，d，g，j）挤压态XME07合金，（b，e，h，k）退火态XME07-1合金和（c，f，i，l）退火态XME07-6合金的BC，IPF，KAM和PF。这些图像分别包括BC（a、b、c）、IPF（d、e、f）、KAM（g、h、i）和PF地图（j、k、l）。
图4 a，b）挤压态XME04合金中沉淀的典型亮场TEM图像，（c-g）STEM图像和（h）EDS图谱。
图5 退火态XME04–6合金的典型亮场TEM图像。
图6 （a，b）挤压态XME07合金中沉淀的典型亮场TEM图像，（c）STEM图像和（d，e）EDS图谱。
图7 （a，b）退火态XME07–6合金的典型亮场TEM图像和（c，d）STEM图像
在这项工作中，研究了两种不同Mn含量的挤压Mg-Ca-Ce基合金在退火过程中的微观结构和力学性能演变，主要结论总结如下：
（1） XME04和XME07合金均表现出典型的双峰晶粒结构，纳米沉淀包括α-Mn、Mg12Ce和Mg2Ca颗粒。在XME07合金中，高锰的加入可以促进动态再结晶，并诱导更多的纳米沉淀。
（2） XME04合金显示出超高强度，抗拉屈服强度为~428 MPa，远高于XME07合金中~370 MPa的强度。更明显的织构硬化和残余位错强化应该是超高强度的主要原因。相应地，XME04试样的延展性比XME07试样差。
（3） 在XME07合金中，更多的纳米Mn析出物可以有效地阻止挤压过程中的晶粒生长，并有助于细化晶粒。结果表明，与XME04合金相比，XME07合金的α-Mn相析出更多，晶粒更细，残余位错密度更低，这说明了XME07合金具有更高的热稳定性。