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在结构材料领域，轻量化与高可靠性的双重需求正持续推高对新一代镁合金体系的性能要求。以稀土镁合金为代表的先进材料，凭借低密度和潜在的高比强度，在航空航天、交通运输及极端工况装备中展现出重要应用前景。然而现有研究与工程实践表明，镁合金在强度、塑性与断裂韧性之间仍存在显著的“性能制衡”瓶颈：通过成分设计和组织调控提升强度，往往伴随着脆性增加和失效风险上升；而在动态或冲击载荷条件下，这种矛盾进一步放大，微观组织中的第二相、取向织构及局部组织非均匀性极易成为裂纹萌生与快速扩展的起点，严重制约材料在复杂服役环境下的安全应用。

在此背景下，系统揭示稀土镁合金在不同加载速率下的变形与损伤机理，并在此基础上实现组织结构的可设计、可调控，已成为该领域急需突破的关键方向。从战略层面看，这不仅关系到单一材料性能指标的提升，更直接支撑装备关键部件的国产化与自主可控能力建设。通过深入理解相结构协同强化、动态再结晶及脆性转变行为之间的内在关联，有望为构建兼顾高强度、高韧性与高可靠性的轻质结构材料体系提供科学依据和技术路径，从而满足未来重大工程和极端工况对材料性能的战略需求。

针对上述问题，海外科研团队利用泽攸科技的ZEM系列台式扫描电镜进行了系统研究，该团队围绕稀土镁合金在多应变率条件下的变形与失效机理，首次系统揭示了LPSO相与Zr富集相协同作用对强韧性转变和动态脆化行为的影响。

标题：Behavior of magnesium alloy Mg-9Gd-4Y-1Zn-0.5Zr (wt.%) after different types of loading

期刊：Letters on materials

网址：https://doi.org/10.48612/letters/2025-4-409-415

微观组织特征与潜在失效源识别

本研究首先系统表征了挤压后Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金的初始组织：LPSO层状相、再结晶等轴晶粒与沿晶或晶界富集的Zr-相共同构成了复杂的异质微结构。通过定量分析相分布与形貌，团队识别出Zr-富集相和粗大第二相作为应力集中与裂纹萌生的主要微观位点，指出在宏观力学性能提升的同时，这些非均匀相和织构会增加局部脆化风险，为后续速率敏感性试验提供了靶向观测区域。

图 样品初始状态下沿纵向的扫描电镜（SEM）图像（箭头表示挤压方向）（a）；在应变率为 0.1 s⁻¹ 的静态压缩条件下，样品横截面的 SEM 图像（b）；同一应变率下样品纵截面的 SEM 图像（箭头表示压缩方向）（c）

应变率依赖的变形机制与组织演化

在覆盖准静态到冲击速率的系统载荷试验中，研究揭示出随应变率增加材料由位错滑移主导的可塑变形逐步向动态再结晶与局部剪切带并存的复杂机理过渡：中等速率下表现为晶粒细化与硬化，而在高应变率下出现局部热软化、晶粒粗化与裂纹密集化现象。为准确追踪这些演化过程，团队对变形前后样品进行了高分辨组织学对比，其中借助泽攸科技ZEM系列扫描电镜的细观成像与成分分析，明确了速率驱动下相态、滑移带与DRX区的空间关系。

图 样品在应变率为 0.001 s⁻¹ 条件下静态压缩后的 C_DIC 图像（a）；样品在应变率为 0.1 s⁻¹ 条件下沿纵向静态压缩后的扫描电镜（SEM）图像（b）。箭头表示压缩方向。

裂纹萌生位置与断裂模式转变

针对断裂行为的定位研究表明：低速载荷下合金以韧性或韧脆混合断裂为主，而在高速冲击条件下，裂纹常以Zr-富集相附近为起点并迅速沿特定面解理扩展，断裂形貌由杯锥与延性颈缩向解理台阶、河流花纹等脆性特征转变。断口与断裂路径的原位与事后分析支持“局部第二相—应变率—热软化”耦合导致脆化突发的判定，为工程评估提供了直接的破坏链路图谱。

图 样品在应变率为 2400 s⁻¹ 的 SHPB 试验后的扫描电镜（SEM）图像（a）；样品在应变率为 5970 s⁻¹ 的 SHPB 试验后的光学显微图像（b）；样品经 Taylor 冲击试验后的扫描电镜（SEM）图像（c）；样品经 Taylor 冲击试验后的 C_DIC 图像（d）。箭头表示压缩方向。

图 样品在应变率为 0.1 s⁻¹ 的静态压缩试验后的断口形貌（插图为放大 5 倍的局部细节）（a）；样品在应变率为 2400 s⁻¹ 的 SHPB 试验后的断口形貌（b）；样品经 Taylor 冲击试验后的断口形貌（插图为放大 3 倍的局部细节）（c）。

针对性的材料设计与工程应用建议

基于上述机理洞见，研究提出了兼顾强度与韧性的协同调控策略：通过精细化LPSO相形态控制、限制Zr相关第二相的尺寸与连通性、以及在热机械加工中优化再结晶行为，构建既能提供增强效应又具备损伤容限的异质微结构。该策略既指向微观相工程的可行路径，也为在航空航天与运输等极端工况下实现轻量化结构部件的可靠化设计提供了可操作的材料学依据。

泽攸科技ZEM系列扫描电镜是一款集成度高、便携性强且经济实用的科研设备。它具备快速抽真空、高成像速度、多样的信号探测器选择，适用于形貌观测和成分分析，还能适配多种原位实验需求。该设备对安装环境要求低，不挑楼层，操作简单，非专业人士也能快速上手，能够更广泛地应用于新材料研发、生命科学、失效分析、工业质检等多个领域，为广大科研院所和企业用户提供了一套兼具高性能与高性价比的强大微观表征解决方案。