鎂合金由于具有低密度、高比強度、比剛度等獨特優勢，在輕量化領域具有廣闊的應用前景。然而，由于鎂合金本征耐腐蝕性能與塑性變形能力較差，嚴重地限制了其大規模應用。國家鎂合金材料工程技術研究中心研究發現：特定合金元素固溶進鎂基體相中可以達到同時增強增塑鎂合金的效果，此外，特定合金元素的固溶也可有效地改善鎂合金的耐腐蝕性能。因此，選擇適當的合金元素組合進行固溶有望同時改善鎂合金地強度、塑性及耐腐蝕性能，提出了“鎂合金多元固溶協同增性”的鎂合金設計理論。

重慶大學潘復生院士團隊袁媛研究員等人近日綜述了合金元素在鎂合金中的固溶行為特征及合金元素固溶對鎂合金綜合性能（如強度、塑性及耐腐蝕性能）的影響，提出了“鎂合金多元固溶協同增性”的合金設計理論，如圖1所示。通過對固溶性能增強機制、固溶合金的多尺度計算與預測及相應的合金設計和多尺度表征的綜述，提出了通過多元合金元素組合調控，有望協同提高鎂合金的綜合性能，極大的擴大鎂合金綜合設計的維度和尺度。文章還指出了目前鎂合金多元固溶協同增性研究存在的問題，為今后的研究和發展方向提出了具體建議。文章指出需明確鎂合金的多元固溶特征行為，明晰固溶對鎂合金各方面性能增強的作用原理，并厘清各目標性能的綜合設計最優原則。在這方面，原位高分辨率表征與多尺度計算耦合，建立定量/半定量模型，構建多組分鎂合金體系的固溶行為-組織結構-綜合性能的映射關系等，為鎂合金的綜合性能預測和高性能鎂合金的綜合設計提供了理論基礎與定量設計依據。

圖 1 鎂合金多元固溶協同增性合金設計理論

論文首先系統分析了多元鎂合金的固溶行為特征。在鎂合金固溶增強性能研究中，可基于多元合金元素在α-Mg中的固溶行為特征，設計合金元素組合與配比，以期達到最優的固溶增性效果。通過特定合金元素組合固溶，鎂合金的強度、塑性和耐腐蝕性能可以得到有效地提高，其主要機理如圖2所示。

圖2 鎂合金多元固溶協同增性圖解與典型合金系的性能增強效應

固溶強化作為合金的四大強化方式之一，在強化鎂合金的過程中也起著重要的作用。固溶強化是由于溶質原子與溶劑原子具有不同的剪切模量和尺寸，從而可以在周圍基體的晶格上施加額外的應變場，并限制局部晶格中的位錯運動而產生的。晶格中的溶質原子可以位于間隙位點或取代位點，這取決于它們相對于溶劑原子的大小。其中，溶質原子隨機分布的最相關機制被認為是由于尺寸失配和/或模量失配引起的彈性相互作用。溶質溶劑原子尺寸和剪切模量差異、溶質原子在基體相中的濃度被認為是影響固溶強化作用的主要因素。此外，由于溶質原子與溶劑原子之間的價電子差異，電子也被提出對固溶強化有貢獻。功函數作為與不同溶質原子對材料力學性能影響的相關因素，也被應用于描述鎂合金體系的固溶強化行為。通過對常用合金元素對應的二元鎂合金固溶體的力學性能進行表征，如圖3所示，常用合金元素的固溶強化效果由強到弱排序為：Gd≈Y>Zn>Sn>Al。Mg-X二元鎂合金固溶體的CRSS（臨界分切應力）、屈服強度及硬度與合金元素的含量呈現出明顯的正線性相關性，特別地，文獻報道二元鎂合金固溶體的基面CRSS和屈服強度與合金元素含量的n次方呈現出強烈的正線性相關性（其中n=1/2或2/3）。

圖3 常用合金元素對Mg-X二元鎂合金固溶體的強化效果：(a) CRSS，(b) 屈服強度，(c) 硬度

鎂作為密排六方結構的金屬，僅有兩個獨立的滑移系，不能滿足Von-Mises準則中要求的至少五個獨立滑移系，因此鎂及鎂合金在室溫下的變形能力較差，這極大地阻礙了鎂合金產品的大規模生產與應用。對鎂單晶的相關研究表明，基面滑移是最容易被激活的滑移系統，通常其CRSS值為0.5 MPa，而其他可能的變形模式（柱面、錐面滑移）由于其較高的CRSS值而難以被激活。對于純鎂，非基面滑移與基面滑移的CRSS值為40-100（單晶）和4-6（多晶）。因此，減小非基面和基面滑移系之間的CRSS值的差異，促進非基面滑移系的活化，是改善鎂合金均勻塑性變形能力和最終延展性的重要方法。自2002年以來，重慶大學潘復生院士團隊針對合金元素對鎂合金延展性的影響進行了大量研究。研究發現，某些特定元素可以降低非基面和基面滑移系之間的滑移阻力比，有助于激活非基面滑移，從而提高鎂合金的延展性，對此提出了鎂合金“固溶增強增塑”的合金設計理論。如圖4所示，合金元素的固溶改變了非基面和基面之間的滑移阻力，通過兩者阻力之間相對關系的調控，可改善合金的均勻塑性變形能力。其中圖4（h）所示的情況可望同時提高鎂合金強度和均勻塑性變形能力，以實現“固溶同時增強增塑”。

圖4 鎂合金“固溶增強增塑”設計理論: (a), (d) Δτ’≈Δτ; (b), (e), (h) Δτ’＜Δτ; (c), (f), (g) Δτ’＞Δτ

此外，Curtin團隊近年來對鎂合金延展性差的起源進行了系統的研究，并指出鎂合金延展性差可以進一步歸因于錐面<c+a>位錯，<c+a>位錯在易滑移的錐面II平面上是亞穩態的，并轉變為穩定的結構。這種由位錯能降低來驅動的轉變是鎂所固有的，預計在室溫下會以非常高的頻率發生，從而消除所有可能導致c軸應變的主要位錯滑移系統。從這個角度來看，延展性可以通過增加從易滑移亞穩態的位錯轉變為穩定結構的時間和溫度來改善。值得注意的是，溶質對位錯交滑移的影響被認為是溶質軟化鎂合金的原因。Yasi等人使用原子尺度建模證實了這一點，指出溶質對位錯形成緩動對能力的提高是鎂單晶中觀察到的溶質軟化鎂合金的原因。Curtin團隊通過對Mg-Y合金的變形進行原位觀察，也驗證了溶質增強交滑移的機制，并提出了在錐面II平面上的L×L <c+a>位錯環擴展過程中，錐面到基面的轉變以及錐面II平面到I平面的交滑移的競爭過程。Curtin團隊指出某些特定的稀溶質的添加可以將<c+a>交滑移和增殖率提高到比有害的<c+a>轉變快得多的水平，從而在加工過程中實現有利的織構和在變形過程中持續的塑性應變，最終在變形過程中實現高延展性。最近，他們還提出了一種提高固溶鎂合金延展性的理論機制，即溶質可以加速錐面<c+a>螺位錯的交滑移，因為添加少量溶質（特別是對于RE元素）可以減小高能量錐面I和低能量錐面II <c+a>螺位錯之間的能量差，從而加速交滑移，最終提高延展性。此外，溶質增強的<c+a>交滑移和滑移還有助于通過將晶粒旋轉到削弱基面織構的晶體取向來促進有利織構的熱機械加工。

晶粒尺寸、織構和滑移活性，被認為是對鎂合金的延展性產生影響的三個重要的微觀結構因素。1962年，Chapman和Wilson報道了通過減小晶粒尺寸可以提高延展性，隨后的實驗研究結果也證實了小晶粒尺寸有益于鎂合金延展性的提高，細晶鎂合金延展性的提高可歸因于細晶結構中孿晶現象的減少?？棙嫳憩F出對鎂合金延展性的潛在影響。據報道，當晶粒尺寸統一時，弱化織構的鎂合金的延展性可以得到改善，而這種影響的具體原因目前尚不清楚。Perez-Prado提出了弱化織構的鎂合金延展性提高的最可能的原因是孿晶活性的降低。此外，滑移系的活性被認為是鎂合金延展性的一個基本因素。α-Mg相中的溶質可以有效地提高非基面滑移系尤其是<c+a>滑移的活性，從而提高鎂合金的延展性。

激活非基面滑移系的關鍵是減小非基面和基面滑移系之間的CRSS差異，層錯能作為與特定相對滑動位移形成的層錯對應的能量，與每個滑移系的CRSS直接相關，因此層錯能作為衡量滑移系CRSS的參數已經被廣泛研究與計算。大量的研究表明，層錯能的變化與基面和非基面滑移系的激活以及塑性變形能力有關。此外，一些相關的性質如理論剪切強度、理想剪切阻力及功函數，及相應的模型也被提出用來預測鎂合金的延展性，從而指導高延展性鎂合金的設計。目前，通過實驗和相應的理論計算，Zn, Ca, Li, RE (特別是Gd, Y和Ce)合金元素及其組合被證明是可以有效地改善鎂合金的延展性及變形能力。

鎂合金較差的耐腐蝕性能一直是其進一步廣泛應用的缺點。鎂及其合金腐蝕性能差可歸因于鎂的特殊化學性質：如較低標準電極電位（-2.37 V vs. 標準氫電極）和較高的化學活性。因此，以低電極電位的鎂為陽極，以基體中存在其它金屬、次生相和雜質（電極電勢高于鎂）為陰極所引起的微電偶腐蝕，在鎂及其合金腐蝕中起著重要的作用。鎂及其合金暴露在空氣中會形成具有一定保護作用的氧化鎂膜，但是鎂合金表面的氧化鎂膜的Pilling-Bedworth比值為0.81 (<1)，氧化鎂膜松散且多孔，因此在大多數腐蝕性環境中沒有保護功能。此外，水分子可以吸附在鎂及其合金表面，通過電離反應形成H+和OH-，從而使氧化鎂薄膜（尤其是（111）晶面）被羥基化，變成Mg(OH)2膜。但是水分子仍然可以穿透Mg(OH)2薄膜并進入鎂合金的基體，引起持續的電化學反應，導致Mg(OH)2層厚度的增加，從而在內部產生拉應力，使得腐蝕產物的松動和開裂，最終腐蝕加劇。此外，宋光玲團隊還指出鎂及其合金中存在“負差效應”：隨著腐蝕的進行，合金表面的保護膜脫落嚴重并最終失效，使得陰極的析氫反應速率隨著電極電位的增加而增加。

合金化可以通過細化晶粒、在鎂合金表面形成保護膜、減小電極電位差以及改變第二相的組成、體積分數和分布來有效地改善鎂合金的耐腐蝕性能。特別地，特定合金元素的固溶也可以有效地改善鎂合金的耐腐蝕性能：（1）如圖5所示，大部分合金元素如Al、Zn、Ga等的標準電極電位，除RE元素與Mg電極電位相近外，均比Mg的標準電極電位高。因此，這些合金元素的固溶可以提高鎂基體相的標準電極電位，從而減輕電偶腐蝕效應，達到改善鎂合金耐腐蝕性能的目的；（2）特定合金元素如Al、Sn、Sc、REs的固溶可以形成對應的氧化膜，這些氧化膜對NaCl溶液不敏感，當外層Mg(OH)2失效脫離后可作為鈍化膜有效抑制陽極溶解，從而改善鎂合金的耐腐蝕性能；（3）特定合金元素如Al、Zn, Cd、Ga、Sn等具有高的氫過電位，這些合金元素的固溶可以抑制析氫反應，從而提高鎂合金的自腐蝕電位，改善鎂合金的耐腐蝕性能；（4）特定合金元素如Mn、Zn、Sr、Y的固溶可以提高鎂合金的電荷轉移電阻，提高鎂合金腐蝕反應的阻力；此外，Sr、REs的固溶可以提高腐蝕產物膜的擴散阻力（Mg2+從腐蝕產物膜擴散到溶液中的阻力），從而提高腐蝕產物膜的惰性，改善鎂合金的耐腐蝕性能。目前，表面能和功函數也可有效地預測鎂合金的耐腐蝕性能；在相同的陰極析氫反應中，表面能密度小于0.067 eV/atom，功函數接近3.674 eV的合金元素如Ga、Cd、In等可以降低陽極溶解速率，從而改善鎂合金的耐腐蝕性能。

圖5 在298.15 K的水中常用合金元素在鎂合金中的標準電極電位

然而，目前關于固溶對鎂合金性能影響的研究主要集中在單元素效應，而關于交互作用理論和多元素固溶增強鎂合金性能的研究較少。此外，基體合金的性能可以賦予材料最終性能的遺傳特征，即在保留原有良好性能的基礎上，通過目標合金元素的固溶，進一步提升原有合金的相應性能。因此，有必要明確多元固溶對鎂合金性能增強的作用機理，開展多元固溶合金的理論和基礎研究，擴展鎂合金設計維度和范圍。鑒于此，原位高分辨率表征，多尺度計算固溶對鎂合金性能的影響，建立經驗/半經驗模型，構建多組分鎂合金系統的熱力學描述等可以有效地指導鎂合金的性能預測和設計，為鎂合金的目標性能設計提供理論基礎和定量設計。