IJP： 通过分级分布相降低Mg-Zn-Ca镁合金的蠕变速率

提高抗蠕变性仍然是镁合金在高温下工程应用的一个重要挑战。基于实验研究和晶体塑性有限元法（CPFEM），江苏大学材料科学与工程学院的Cui等人分别提出了AC3（Mg-5Al-3Ca）和ZC1（Mg-5Zn-1Ca）合金（均以重量百分比计）的蠕变变形机制。结果表明，与AC3合金相比，钙含量较低、图1相分级分布的ZC1合金具有更优的抗蠕变性能。ZC1合金的这种优越性归因于Ca2Mg6Zn3相与a-Mg基体之间的低力学不相容性，以及由稳定基体相包围的晶粒内部存在小分散颗粒。在AC3合金的蠕变过程中，局部应力集中导致硬Al2Ca相开裂、晶界滑动和晶粒粗化/旋转，从而导致较大的蠕变速率。在ZC1合金中，沿晶界分布的Ca2Mg6Zn3相充当晶界滑动的障碍。此外，与a-Mg基体具有取向关系的晶粒内的颗粒沉淀可以额外增强基体，有效防止基面位错的运动。本研究的结果为通过稳定相和分散颗粒相的协同效应设计高抗蠕变镁合金提供了一种策略。

图1.不同图1相的多晶模型：（a）ZC1合金的EBSD表征；（b）在GB处具有高弹性模量的不连续钢筋相模型；（c）在GB处具有低弹性模量的不连续加固模型；（d）在GB处具有低弹性模量的连续加固模型；（e）在GB处具有低弹性模量的连续增强相和晶粒内大量分散的颗粒相模型。

该模拟是使用DAMASK中的谱求解器进行的，该求解器确保了周期性的边界条件。模型的几何形状和晶粒取向来自ZC1合金的实验EBSD表征（图1（a））。为了验证基体相的连续性、力学不相容性和分散颗粒对相对蠕变性能的影响，建立了四个模型：（i）在GB处具有高弹性模量的不连续增强相（模型1，图1（b））；（ii）在GB处具有低弹性模量的不连续加固相（模型2，图1（c））；（iii）在GBs处具有低弹性模量的连续加固阶段（模型3），（iv）在晶界处具有低弹性模量的连续增强相和晶粒内大量分散的颗粒相（模型4，相的分层分布图1（e））。在这项工作中，在蠕变加载阶段施加10 MPa/s的应力率，一旦达到50MPa，应力就保持恒定。

图2.四种模型蠕变应变-时间曲线的模拟结果。

四种模型的蠕变时间模拟曲线如图2所示。模型1和模型2的特点是，GB处的图1相分布不连续，不同之处在于模型2中图1的弹性模量低于模型1中的弹性模量。模型3具有与模型2相同的增强相参数，但模型3中GB处的析出相是连续分布的。模型4在模型3的基础上引入了分散颗粒。实验和模拟都表明，具有分层相分布的合金具有更好的抗蠕变性能（模型4）。此外，可以观察到，硬基体相表现出更好的抗蠕变性（比较模型1和2），而保持基体相的连通性有助于提高合金的抗蠕化性（比较模型2和3）。同时保持强化相的连接性有助于提高合金的抗蠕变性（比较模型2和3）。据报道，在许多合金中，软相和硬相充当优先损伤成核位点。与AC3合金的力学性能差异相比，ZC1合金中基体和Ca2Mg6Zn3之间的弹性模量和硬度差异较小（图S1）（Luo等人，2022；Lu等人，2018）。可以推断，减少第二相与基体之间的力学不相容性可以降低局部应力，避免开裂。

图3.通过CPFEM在四个模型中绘制相应的von Mises应力图（a-d）、等效应变（c-h）和位错密度图（i-l）的模型示意图：（a，e，i）模型1：沿具有高弹性模量的晶界的不连续析出物；（b，f，j）模型2：沿具有低弹性模量的晶界的不连续析出物；（c，g，k）模型3：沿具有低弹性模量的晶界相互连接的析出物；（d，h，l）模型4：模型3，颗粒在颗粒中沉淀。

在图3，分析了von Mises应力、等效应变和位错密度等几个内变量的分布，以了解具有不同增强相的镁合金的变形特征，如图3中四种配置的模拟结果所示。发现局部应力集中在一些晶界处（图3（a-d）），因为晶界上的应力由于晶粒取向错误和晶体的固有各向异性而不连续，导致与平均应力值存在显著偏差。此外，沿晶界的沉淀物和基体之间的模量差异会引起应力屏蔽效应，导致其中的局部应力集中。比较图3（a）和（b），可以注意到，通过减少沿晶界的第二相与基体之间的机械不相容性，可以减轻应力屏蔽效应。

相关研究成果以“Lowering creep rate in Mg-Zn-Ca magnesium alloy with hierarchical distribution of phases”为题发表在International Journal of Plasticity上（Volume 188，May 2025，104295），论文第一作者Zhuang Cui，通讯作者为Yang Liu和Manping Liu。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2025.104295