天目山实验室高性能航空材料与先进制造研究中心马朝利教授团队（航空轻合金材料实验室）在镁合金室温超塑性与变形机制研究方面取得重要进展，相关研究成果“Super-ductile magnesium alloy at room temperature”近日在国际金属领域顶级学术期刊《Acta Materialia》上发表。该研究成果为提升镁合金室温成形性能提供了关键理论支撑与技术储备。天目山实验室李鹤副研究员、刘茂文副研究员、北京航空航天大学徐腾飞博士为论文共同第一作者，北京航空航天大学/天目山实验室郑瑞晓教授以及日本原子能机构（J-PARC）龚武教授为论文共同通讯作者。研究合作单位包括日本京都大学、美国北卡罗来纳大学夏洛特分校以及中国计量大学等。

镁合金具有密度低、比强度和比刚度高、电磁屏蔽性能优异、阻尼减振能力强、资源丰富且易于回收利用等特点，在国防军工、电子通信、航空航天、交通运输等领域展现出广阔的应用前景。尤其是在“双碳”的战略背景下，其轻量化的优势与节能减排效应进一步推动了镁合金产品的市场需求。目前，大多数镁合金产品仍以铸造为主，但实际工程应用中对塑性加工产品的需求更为广泛，因此镁合金塑性成形性能调控及机制的研究日益受到重视。镁合金超塑性成形是利用其在一定温度、变形速度与组织状态等下的超塑性特性，实现复杂结构零件一次成形的工艺方法，具有成形精度高、结构适应性强的优点。然而，镁合金因其六方密排晶体结构的低对称性，可启动的独立滑移系有限，导致室温成形性普遍较差。现有塑性加工技术往往需在高温下进行，不仅增加生产成本，还可能引发氧化、烧损、热脆等问题，影响产品最终性能。因此，提高镁合金的室温塑性，发展室温成形技术，满足多样化工程结构件的制造需求，具有重要的科学与工程意义。

研究表明，晶界在室温塑性变形中的作用随晶粒尺寸的减小而显著增强。通过组织细化至超细晶或纳米晶范畴，镁合金的室温塑性大幅提升。当晶粒尺寸细化至1 μm量级时，纯镁在低温压缩中可达到约80%的应变，但其室温拉伸塑性通常仅为20%左右，难以满足实际工程应用需求。近年来，剧烈塑性变形技术被广泛应用于制备超细晶及细晶镁合金。通过此类工艺获得的材料，在特定变形速率和温度条件下表现出良好的室温拉伸塑性，其主要变形机制为晶界滑移。前期研究中，团队采用高压扭转技术将块状纯镁的晶粒尺寸细化至亚微米尺度，成功制备出平均晶粒尺寸约0.5 μm的超细晶纯镁。该材料在室温条件下能够承受高达约60%的拉伸应变，显示出优异的塑性变形能力（R. X. Zheng. et al., Acta Mater. 198 (2020) 35-46；Acta Mater. 238 (2022) 118243）。

本研究中，团队发现通过调控晶界化学成分并促进元素的局部富集，可进一步改善镁合金在室温下的塑性变形能力。团队结合Mn元素微合金化与超细晶细化技术，成功在超细晶Mg-0.3Mn (at. %)二元合金中实现了室温超延展性。该合金在准静态应变率（~10⁻³）下的抗拉延伸率达到约135%（图1），远高于具有同等晶粒尺寸的纯镁。该研究通过微合金化与超细晶细化的协同作用，有效解决了镁合金室温延展性不足的问题，有望以更低的成本推动复杂形状镁合金部件的规模化工业制造与应用，为开发具备高塑性的下一代镁合金提供了重要途径。

图1. Mg-0.3Mn合金室温拉伸性能与变形机理

团队利用先进的原位中子衍射技术，系统研究并揭示了超细晶镁合金室温高塑性的微观机制（图2）。在原位室温拉伸过程中，粗晶Mg-0.3Mn合金的位错密度随应变增加显著上升，当应变达到约15%时，其位错密度从初始的 0.43×10¹⁴ m⁻² 急剧增加至约 0.62×10¹⁵ m⁻²。相比之下，超细晶Mg-0.3Mn合金的位错密度在整个拉伸过程中变化较小，表明其变形并非主要通过晶内位错增殖来协调。同时，粗晶试样在变形后晶粒尺寸明显细化，而超细晶试样的晶粒尺寸基本保持稳定。以上结果说明，当晶粒尺寸细化至亚微米尺度时，镁合金的主导变形机制由晶内位错滑移转变为晶界滑移。这一机制转变是镁合金在室温下实现超高塑性的关键原因。

图2. 通过原位中子衍射技术揭示Mg-0.3Mn合金室温塑性提升机制

电子显微分析表明，Mn原子以纳米团簇形式在晶界处偏聚，并与Mg基体保持共格关系。在拉伸应变达到100%后，Mg-0.3Mn合金仍维持等轴超细晶结构。进一步定量分析显示，晶界滑动对总应变的贡献约为73.1%，证实了其在变形过程中的主导作用。基于密度泛函理论（DFT），本研究还进一步计算了Mg-Mn合金的界面劈裂功W_sep.，以评估其界面结合强度—该参数与材料的延展性密切相关。计算结果表明，随着晶界处更多Mg原子被Mn原子取代，Mg-Mn合金的 W_sep.逐渐降低。W_sep.的变化规律说明，在晶界附近富集的Mn原子能够有效降低沿晶界分离Mg-Mn双晶所需的能量，从而适度弱化界面结合强度，显著促进晶界滑移，进而大幅提升合金的宏观延展性。

图3. 密度泛函理论（DFT）建模以及Mg-Mn合金界面劈裂功 W_sep. 的计算结果

与常见的稀土元素通过晶界钉扎产生偏析强化现象不同，本研究观察到Mn元素在镁合金晶界偏聚后，有效降低了界面结合强度，显著促进了晶界滑动，并引发异常的软化行为。这一独特效应凸显了通过调控晶界结构与化学成分实现超塑性变形的重要作用，也展示了创新合金设计在开发高性能镁合金方面的重要潜力。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.121884