非稀土镁合金中钙元素对拉伸性能影响机制的新理解

钙元素作为一种低成本的合金化元素被证明可以促进镁合金的多系滑移开启，从而有效提升镁合金的塑性。然而由于钙元素在镁中的固溶度很低，二元镁-钙合金往往无法满足实际工程需要。已有的研究证明，在含钙镁合金中分别添加锌、铝等其他常见的合金化元素，可以通过钙与溶质原子在晶界共偏聚弱化织构或形成可变性的第二相进一步提升合金的塑性和可加工性。然而，与三元含钙镁合金不同的是，实验发现钙的添加未能显著提升镁-铝-锌合金的室温拉伸性能，而当前缺乏对这种效应的深入理解。

对此，上海交通大学材料学院轻合金研究所的王乐耘研究员和曾小勤教授团队通过对四种不同Ca含量的挤压镁合金的微观组织结构分析和微观变形机制研究总结了Ca对Mg-Al-Zn-Ca四元合金拉伸性能的影响机制。发现在该合金体系中，钙溶质对镁中各滑移系的开启有软化作用；同时，Ca与Al形成的Al2Ca第二相导致镁相中固溶铝原子的减少，第二相对屈服强度的微弱提升完全被固溶强化的降低所抵消。此外，通过循环加载实验证明了Al2Ca第二相通过背应力强化提升了合金的应变硬化。结合同步辐射X射线衍射原位拉伸实验和EVPSC模拟，从镁合金晶格应变和位错密度演变的角度对变形机制进行了详细讨论。

本工作厘清了Ca含量对Mg-Al-Zn-Ca合金组织结构变化及微观变形机制的影响，对设计开发高性能结构镁合金具有借鉴意义。相关成果以“The role of Ca on the microstructure and tensile properties of Mg-Al-Zn-Ca alloys”为题发表在金属材料领域期刊Materialia上（https://doi.org/10.1016/j.mtla.2023.101787）。博士生范云皓为论文第一作者，王乐耘研究员为论文通讯作者。论文主要合作者还包括美国APS光源的Jun-Sang Park博士、Xuan Zhang博士以及上海交通大学机械与动力工程学院的汪华苗副教授。该工作得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金的支持。