热轧Mg-Gd合金的微观结构演变及再结晶和晶粒生长动力学

时间：2026年1月31日

来源：Micron

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镁合金热处理过程中显微结构演变及再结晶动力学研究。通过热轧Mg-0.6Gd合金在573-723K不同温度下退火5-1440分钟，分析静态再结晶和晶粒生长行为，发现低温退火保留变形结构，高温退火促进等轴再结晶。晶粒尺寸随温度和时间增加，激活能分别为107.1 kJ/mol（再结晶）和50.1 kJ/mol（晶界生长），揭示稀土元素与第二相粒子通过溶质拖曳和Zener钉扎效应调控组织演变。

阿尔及利亚姆斯拉大学科学学院材料与可再生能源实验室，大学园区，Bourdj Bou Arreiridj路，姆斯拉28000

摘要

将热轧Mg-0.6Gd（重量百分比）合金在723 K下进行85%的厚度减薄处理后，随后在573-723 K的温度范围内进行退火处理，处理时间从5分钟到1440分钟不等，以研究其微观结构的演变。此外，通过维氏硬度测试和平均晶粒尺寸的变化来评估再结晶和晶粒生长动力学。在573 K和623 K退火后，合金的变形微观结构仍保持粗大初始晶粒和大量孪晶的特征。相比之下，在673 K和723 K退火过程中，形成了等轴再结晶的晶粒。平均晶粒尺寸随着退火温度和时间的增加而增大，在573 K、623 K、673 K和723 K下分别达到11.8 ± 1.3 µm、21.1 ± 2.2 µm、36.1 ± 1.4 µm和48.9 ± 2.5 µm。热轧和热处理改变了现有第二相颗粒的性质，这些颗粒通过溶质拖拽效应和Zener钉扎效应控制了最终的微观结构。根据Johnson-Mehl-Avrami Kolmogorov模型，再结晶激活能为107.1±14.1 kJ/mol，表明晶界扩散控制了静态再结晶过程。晶粒生长行为分为两个温度区间：573 K至623 K和623 K至723 K。在573-623 K区间，晶粒生长受到限制，激活能为200 kJ/mol，表明晶格自扩散起主导作用；而在623-723 K区间，激活能显著降低至50.1 ± 5.5 kJ/mol，表明晶粒生长得到增强。

引言

使用轻质结构部件来减轻重量是限制交通运输领域二氧化碳排放的有效策略之一（Li等人，2023年）。在这方面，镁（Mg）合金因其低密度、良好的阻尼性能、可加工性和优异的比强度特性而成为实现显著减重的最佳选择（Li等人，2023年；She等人，2024年）。然而，传统镁基合金的成形性较差，尤其是在低温变形条件下。这一限制主要是由于形成了强烈的基面织构以及可用于适应变形的活性滑移系数量有限（Mordike和Ebert，2001年；Zhang等人，2024年）。因此，镁基合金的进一步应用受到限制，而复杂部件的成型对于许多现代技术来说是必不可少的（Mordike和Ebert，2001年；Zhang等人，2024年）。

过去几十年中，研究人员通过热机械加工和合金化添加等方式，对铸造和锻造镁基合金的性能进行了大量研究（Wu等人，2021年；Kareem等人，2025年）。众所周知，变形和热处理的结合可以显著改善镁基合金的机械性能，通过促进晶粒细化和产生位错等晶格缺陷。根据经典的Hall–Petch关系，材料的强度与晶粒尺寸的平方根成反比（Figueiredo等人，2023年）。实际上，随着晶粒尺寸的减小，晶界数量增加，这阻碍了位错的传播，从而提高了屈服强度（Figueiredo等人，2023年）。当通过663 K热轧将AZ31（Mg-3Al-1Zn，重量百分比）合金的晶粒尺寸从18 µm减小到8 µm以实现50%的厚度减薄时，其屈服强度提高了约2倍（Hanna等人，2019a）。在高温变形或高变形应变下，通过动态再结晶（DRX）过程可以实现晶粒细化（Mirzadeh，2023年）。DRX可以通过不连续或连续机制进行，具体取决于应变和温度条件，从而产生不同的微观结构特征和晶界特性（Mirzadeh，2023年）。

热机械加工后需要进行后续退火处理，通过静态再结晶和晶粒生长过程释放残余应力和内能，以达到稳定状态（Humphreys和Hatherly，2004年；Su等人，2008年）。虽然提高退火温度和持续时间通常可以增强延展性，但也可能导致屈服强度降低，因为位错密度减少和晶粒粗化（Basu等人，2016年；Song等人，2024年；Cui等人，2023年）。然而，在某些退火条件下，由于部分再结晶和沉淀强化机制的贡献，可以在多种镁基合金中实现良好的强度-延展性平衡（Basu等人，2016年；Song等人，2024年；Cui等人，2023年；Shi等人，2023年；Wei等人，2013年；Yinuo等人，2025年）。

根据现有的实验研究，可以得出结论：镁基合金的性能受到变形过程中引入的储存能量以及静态再结晶和晶粒生长动力学的强烈影响。因此，仔细选择适当的变形和退火条件对于制造具有最佳强度-延展性平衡的镁基合金至关重要。

此外，添加稀土（RE）元素（如钆（Gd）已被证明可以通过改变织构来减少机械各向异性并提高成形性（Wu等人，2021年；Imandoust等人，2017年；Liu等人，2025年）。

在轧制的Mg-RE合金中，基面通常向横向或轧制方向扩展（Basu等人，2016年；Al-Samman和Li，2011年；Azzeddine和Bradai，2012年；Han等人，2024年），而传统的Mg-Al合金中基面保持与板材平行（Alili等人，2013年；Tighiouaret等人，2021年；Sadi等人，2022年）。已经提出了几种机制来解释这种织构变化的起源（Imandoust等人，2017年；Liu等人，2025年）。作为溶质元素，RE元素可以降低镁基体的堆垛层错能量（Sandlöbes等人，2011年）和变形系统的临界解理应力（Herrera-Solaz等人，2014年），从而促进非基面滑移系（如金字塔滑移）的激活。这导致更均匀的变形和更高的延展性。

研究表明，RE元素在晶界的偏聚会导致溶质拖拽效应，改变它们的移动性和网络，从而使非基面取向在变形和/或退火处理中的成核和生长过程中具有竞争优势（Basu等人，2016年；Robson等人，2016年；Barrett等人，2018年）。因此，DRX过程受到限制，其机制也发生变化（Imandoust等人，2017年）。然而，Mg-RE合金的DRX行为取决于变形条件（Stanford，2013年；Mohamed等人，2024年）。例如，在673 K下进行平面应变压缩后，Mg-1.5Gd（重量百分比）合金和AZ31合金表现出相似的DRX行为（Stanford，2013年）。相比之下，在室温（RT）下进行高压扭转（HPT）严重塑性变形时，Mg-0.6Gd合金的DRX过程显著加速（Mohamed等人，2024年）。

除了溶质效应外，第二相颗粒也显著影响Mg–RE合金的变形和再结晶行为。细小颗粒（<1 µm）可以通过Zener效应固定晶界和位错（Hadorn等人，2012年；Wang等人，2023年），而粗大颗粒（>1 µm）可以通过颗粒刺激成核（PSN）机制促进随机取向的细小晶粒的形成（Shi等人，2023年；He等人，2024年）。多项研究探讨了微观结构特征与变形参数之间的相互作用，以控制Mg-RE合金的变形行为和再结晶机制（Wang等人，2023年；He等人，2024年；Elfiad等人，2016年；Pourbahari等人，2017年；Hanna等人，2019b年；Hoseini-Athar等人，2019年；Chen等人，2021年；Li等人，2022年；Meng等人，2024年；Koriche等人，2025年；Yan等人，2025年；Li等人，2025年；Zhao等人，2025年；Huang等人，2025年）。现有研究的综述表明，RE元素对镁基合金性能的影响比预期的更为复杂。这种复杂性主要源于两个关键因素：（i）RE溶质元素的量和性质；（ii）热机械加工和后续退火处理的条件。

然而，关于二元Mg-Gd合金的静态再结晶和晶粒生长动力学的系统研究仍然有限（Han等人，2024年；Azzeddine等人，2024年）。对成核率、晶粒生长率、激活能及其对退火温度和时间的依赖性的定量评估仍然不足。这种动力学数据的缺乏阻碍了对变形后热处理过程中微观结构演变的预测理解，也限制了优化加工路径以实现定制机械性能的能力。因此，本研究旨在详细评估在723 K下热轧85%厚度减薄后的Mg-0.6Gd（重量百分比）合金的静态再结晶和晶粒生长行为，随后在573 K、623 K、673 K和723 K下进行退火，处理时间从5分钟到1440分钟不等。

实验程序

本研究中使用的Mg-0.6Gd（重量百分比）铸态合金由德国亚琛工业大学物理冶金与材料物理研究所提供。选择这种合金是因为它具有固溶强化、耐腐蚀性和良好的成形性，同时由于其低稀土含量而成本较低（Mohamed等人，2024年；Azzeddine等人，2021年；Azzeddine等人，2023a年；Azzeddine等人，2020年；Baudin等人，

初始微观结构

图1a显示了铸态Mg-0.6Gd合金的初始微观结构。如图所示，该合金具有典型的铸态微观结构，特征是粗大的晶粒和大量的孪晶，这些可能是在样品制备过程中形成的。图1c和e展示了不同放大倍数的铸态Mg-0.6Gd合金的SEM显微照片。此外，图1g展示了点1-4的EDS分析结果。铸态微观结构中含有不同的第二相颗粒

结论

在573-723 K的温度范围内进行退火处理时，研究了热轧Mg-0.6Gd合金的微观结构演变、静态再结晶和晶粒生长动力学，处理时间从5分钟到1440分钟不等。主要结论如下：

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变形微观结构表现为受限的DRX、动态沉淀和强烈的基面织构。

•

Avrami指数在0.9-0.2范围内，再结晶激活能为

作者贡献声明

Denis Solas：撰写 – 审稿与编辑，验证。François Brisset：软件开发，实验研究。Boualem Rai：实验研究，概念化。Ismail Bencherifa：实验研究，概念化。Thierry Baudin：撰写 – 审稿与编辑，验证。Hiba Azzeddine：初稿撰写，概念化。