近日，上海交通大学材料科学与工程学院彭立明教授对Mg-Y-Nd合金析出相演化机理研究取得重要进展，相关研究成果以“On the evolution of β1/β′ coupled-structures in Mg–Y–Nd alloys: A simulation study”为题在线发表在国际著名期刊Acta Materialia上（Acta Mater. 281（2024）120353）。材料学院刘泓副教授为第一作者，刘泓副教授、彭立明教授和澳大利亚莫纳什大学聂建峰教授为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金(Grant No. 52101018, 52374392）和上海市浦江人才计划（No. 21PJ1405800）的支持。

图文解析

在Mg–Y–Nd等沉淀强化镁合金中，其主要强化析出相β1和β′常常形成耦合结构，其中β′析出物附着在β1的两端，呈哑铃状结构。核心问题是，随时效时间延长，当β1在沿其惯习面生长时，附着的β′析出物如何演变。

为了解决这一问题，本研究采用基于三维相场方法的多尺度模型，模拟β1和β′沉淀颗粒在β1/β′耦合结构中的演变过程。通过透射电镜实验观察和三维相场模拟结果表明，在β1/β′耦合结构中，β1沉淀颗粒呈板条状，β′颗粒附着在β1的两端并沿[0001]方向延伸。随着时效时间增加，β1沉淀颗粒沿惯习面生长，其长度持续增加，而附着的β′析出物仅在β1延伸方向生长，另一方面则会溶解。这种现象造成了β′析出物在固相镁基体中看似“移动”的视觉效果。

该现象受化学自由能和弹性应变能的相互作用影响。化学自由能促进β′析出物的各向同性生长；同时，由β′析出物及其附着的β1颗粒末端的应力场导致的弹性应变能促使β′析出物的一侧生长而另一侧溶解。

当耦合结构的演变受附近其他耦合结构的影响时，β′析出物的演变受弹性应变能驱动。总体而言，β′析出物在拉伸应力场中倾向于生长，而在压缩应力场中则倾向于溶解。以上发现为理解镁合金中的析出物演变提供了重要的理论基础。

 近年来，在丁文江院士的大力支持下，彭立明教授团队在镁稀土合金材料开发与成形技术方面取得了一系列原创性科研成果，旨在推动我国高性能镁稀土合金的发展与应用。

图1 β1/β′耦合结构演化的三维相场模拟结果

图2 当时间步长为10000时，在（0001）截面，β1/β′耦合结构形貌及演化不同时间时，耦合结构的β1和β′颗粒的轮廓。

图3 β1/β′耦合结构演化时β′界面处的能量分析：（a）只考虑化学能和界面能，（b）同时考虑化学能、界面能和弹性能，(c) 只考虑弹性能

图4 三组β1/β′耦合结构逐渐靠近时，β1和β′析出相的演化过程。

来源：轻合金精密成型国家工程研究中心