近日，上海交通大学材料科学与工程学院曾小勤教授、王乐耘研究员团队在镁合金塑性变形调控领域取得重要进展，首次从单晶与多晶行为差异的角度，揭示了稀土元素Gd促进锥面<c+a>滑移的关键机制。相关成果以“Origin of enhanced <c+a> slip in Mg-Gd alloys”为题，发表于国际塑性领域权威期刊 International Journal of Plasticity。论文第一作者为博士生石东方，通讯作者为王乐耘研究员与王杰助理研究员。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2026.104702

文章介绍

镁作为最轻的金属结构材料，在航空航天、轨道交通等领域应用潜力巨大。然而，其密排六方晶体结构导致室温下可启动的滑移系有限，尤其是协调c轴变形的关键载体——锥面<c+a>位错激活应力极高，难以有效开动，成为制约镁合金延展性的核心瓶颈。尽管稀土元素Gd被证实能提升镁合金塑性，但其促进<c+a>滑移的机理长期存在争议：单晶实验显示Gd对<c+a>滑移本征阻力影响有限，而多晶材料中却表现出显著的<c+a>滑移活性增强。这一矛盾亟待澄清。

研究团队通过精细调控挤压工艺，制备了晶粒尺寸匹配的Mg-1Al、Mg-1Zn和Mg-1Gd合金，在排除Hall-Petch效应干扰的前提下，系统比较了三种合金的变形行为。结合晶体塑性模拟（EVPSC）、滑移迹线分析、TEM位错表征及单晶微柱压缩实验，揭示了多晶与单晶Mg-Gd合金中<c+a>滑移行为的显著差异。

图1 Mg-1Al、Mg-1Zn与Mg-1Gd合金的初始组织与力学性能对比

图2 多尺度表征揭示不同合金的变形机制差异

研究结果显示，多晶Mg-Gd表现出更低的<c+a>滑移临界分切应力（CRSS）和更高的滑移活性，同时孪生被抑制，从而获得更高的应变硬化能力和更优的拉伸塑性。单晶微柱压缩结果却显示，Mg-Gd中<c+a>滑移的CRSS仍高达约260 MPa，远高于多晶中拟合值（~77 MPa），表明单晶本征阻力的变化无法解释多晶中的增强现象。

进一步原子尺度表征（STEM-EDS）与密度泛函理论（DFT）计算发现，Gd原子在晶界处发生强烈偏聚，其偏聚倾向远高于Al、Zn等常规元素。研究团队提出一种全新的“晶界介导机制”，即偏聚于晶界的Gd原子可改变晶界附近的局部应力状态与原子构型，显著降低<c+a>位错从晶界处形核的能垒。这一机制解释了单晶与多晶实验结果的分歧，统一了学界对稀土Gd元素增强镁合金塑性的不同认识。

图3 单晶与多晶中各滑移/孪生模式CRSS对比

图4 Mg-Gd合金中<c+a>滑移激活能力增强及晶界介导机制

该工作不仅澄清了Gd促进<c+a>滑移的争议性来源，更重要的是将研究视角从传统的晶内层错能调控转向晶界工程。鉴于工程材料多以多晶形式服役，这一发现为通过溶质偏聚设计高性能镁合金提供了全新思路，未来可主动调控溶质在晶界的分布，实现镁合金强度与塑性的协同优化，推动轻量化结构材料的工程应用。

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