听说彭立明老师团队又取得了稀土镁合金的重要进展，秉持着做大家都能看得懂的镁合金文章，我们采访了论文的第一作者——上海交大轻合金研究所刘泓老师。
刘泓
上海交通大学博导
2015年于澳大利亚莫纳什大学获得博士学位，并在西班牙IMDEA材料研究所和比利时鲁汶大学进行博士后研究。
2021年入职上海交通大学。主要从事轻合金（镁合金、铝合金等）的多尺度集成材料计算工作。曾拿到玛丽居里-FWO学者基金，主持青年项目一项。
以第一/共一作者在Progress in Materials Science, Acta Materialia等杂志上发表文章20余篇，担任《Journal of Magnesium and Alloys》青年编委。
前提Mg-Y-Nd合金是什么？
首先，拆解一下这三个元素：
Mg-Y-Nd:
Mg-镁（Magnesium），密度为1.738g/cm³，化学性质活泼、易燃、易腐蚀；
Y-钇（Yttrium），密度为4.4689克/，灰黑色金属，密度接近某些重稀土元素，化学性质较活泼，易与热水反应，易溶于稀酸，常被视为重稀土元素之一，广泛应用于制造特种玻璃、合金及多种高科技领域的催化剂和发光材料等。
Nd-钕（Neodymium），密度为7.004g/cm³，化学性质相对活泼，易氧化，能与水缓慢反应，能溶于稀酸，是镧系元素中较活泼的金属之一，广泛用于制造稀土永磁材料、玻璃和陶瓷的着色剂以及核工业等领域。
Q1
Mg-Y-Nd合金是新研究的合金配方吗？
刘泓：这个是现有的已开发的合金配方，本质上用Y和Nd做合金是为了降本增效。
Q2
结合后与其他的镁合金配方有什么区别？起到什么作用？
刘泓：因为镁合金最主要的特点是质量轻，所以我们对于镁合金的研究就是需要提高它的强度。提高强度，可以极大拓展镁合金在工业生产、在人民生活以及在武器装备这些方面的应用。
我们要开发一种新型的超高强的镁合金，我们就在想他要通过什么样的方式使得镁合金的强度进行提高，自然而然就想到了沉淀强化，镁合金的主要强化手段就是沉淀强化。
沉淀强化取决于沉淀物的一些形貌特征：比如说，沉淀物它的灌系面是在锥面、柱面还是在基面等等。之前有研究发现，当灌系面平行于柱面的时候，它的强度是最好的。所以我们现在需要做的事情，就是去研究探索柱面沉淀项。
贴士：
沉淀强化：合金中均匀分布于基体相中的细小弥散的第二相微粒，从过饱和固溶体中开始沉淀到完全析出所产生的合金强化及硬度提高的过程。
Q3
论文中出现的β啊，耦合啊，具体是什么意思？
刘泓：前期的探索工作是我们做的，但之前文献有报道，柱面沉淀项，在镁稀土合金当中经常发现。我们进一步研究镁稀土合金，因为只有在镁稀土合金当中会形成这种柱面的沉淀项，它所形成的柱面沉淀项，有两种，就是β₁和β′。
这种耦合结构的好处：你可以看到β′，它总是贴在β₁的两端，形成这种哑铃状的结构，这就是耦合状的结构。那么形成耦合状的结构，可以不用使得它的主沉淀项就是 β₁项生长的太大，这样就保证了沉淀项在镁基体里面的均匀分布，可以更好的提高镁合金的性能。
Q4
论文要点提取
镁-稀土合金中的沉淀硬化与共演化行为：
在过去二十年里，镁-稀土（Mg-RE）合金因其独特的物理性质——轻质、优良的铸造性能以及高强度，成为了材料科学领域研究的热点。特别是在航空航天、汽车制造等需要减轻重量而不牺牲强度的应用领域，这类合金展现出了巨大的潜力。在这类合金中，Mg-Y-Nd（WE）系列合金因其显著的沉淀硬化响应而备受关注。
沉淀硬化的原理：
沉淀硬化是一种提高合金强度的技术，通过特定的热处理过程使合金内部形成细小的第二相粒子。这些粒子能够有效地阻碍位错运动，从而增加材料的硬度和强度。
对于Mg-Y-Nd合金而言，这一过程主要包括三个步骤：固溶处理、水淬以及随后的时效处理。固溶处理是在高温下将合金元素溶解到镁基体中，然后快速冷却以冻结这些元素在基体中的分布。随后的时效处理则是让这些元素在较低温度下重新析出，形成能够增强材料性能的第二相粒子。
β₁和β′相的共演化
在WE43或WE54这样的Mg-Y-Nd合金中，β₁和β′相作为主要的强化析出相，通常以一种特殊的耦合结构出现：β′沉淀物附着在β₁沉淀物的两端。
这种结构的存在对合金的力学性能有着重要影响。然而，关于这些耦合结构中β₁和β′沉淀物如何共同演化的问题，直到最近才得到了深入的研究。
本研究采用了先进的三维相场方法来探究β₁/β′耦合结构中这两种沉淀物的共演化过程。研究发现，随着β₁沉淀物在镁基体中的延长，附着在其两端的β′沉淀物展示出了一种独特的“移动”现象。具体来说，β′沉淀物仅在β₁延长方向的一侧生长，而在相反的一侧则逐渐溶解，仿佛在基体内“移动”。
化学自由能与弹性应变能的作用
这一独特现象背后的原因在于化学自由能与弹性应变能之间的微妙平衡。一方面，化学自由能促使β′沉淀物均匀生长；另一方面，由于β′沉淀物与β₁沉淀物之间存在应力场的交互作用，导致了弹性应变能在不同区域的变化。这种变化使得β′沉淀物在某些区域更容易生长，在其他区域则更易溶解，最终形成了观察到的“移动”效果。
此外，当耦合结构周围存在其他类似结构时，β′沉淀物的演化还会受到周围结构的影响，进一步受到弹性应变能最小化原则的驱使。简而言之，β′沉淀物倾向于在经历拉伸应力的地方生长，在经历压缩应力的地方溶解，这种倾向有助于优化整个合金的微观结构，进而提升其整体性能。
通过对Mg-Y-Nd合金中β₁和β′相共演化行为的深入研究，不仅增进了我们对这类合金微观结构演化的理解，也为开发更高性能的镁合金提供了重要的理论支持和技术指导。这些研究成果有望推动镁-稀土合金在更多领域的应用，特别是在需要轻量化和高强度材料的航空航天和汽车制造业。
编辑 梅艳南
排版 吴姬慧
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