鎂合金是最輕的金屬結構材料，在汽車、航空航天等領域的結構輕量化方面有廣闊的應用前景。然而，鎂的晶體對稱性低，導致其室溫可加工性差。這個缺點推高了鎂合金零件的製備成本，嚴重削弱了這種材料的競爭優勢。材料可加工性受到拉伸延伸率和加工硬化率兩個因素的影響。採用添加稀土元素、晶粒細化、析出強化等傳統方法，一般只能提高鎂合金的拉伸延伸率或加工硬化率中的一項，難以同時提高兩項。
上海交通大學材料學院輕合金研究所的王樂耘研究員和曾小勤教授團隊，在熱力學計算的指導下設計了一種新型的Mg-Al-Ca三元合金。該工作以「Highly deformable Mg–Al–Ca alloy with Al2Ca precipitates」為題發表在金屬材料領域頂級期刊Acta Materialia上。博士生朱高明為論文第一作者，王樂耘研究員為論文通訊作者。論文主要合作者還包括美國內布拉斯加大學林肯分校的王健教授以及美國APS光源的Jun-Sang Park博士。
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https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.09.006
通過精確設定合金元素Al和Ca的含量以及熱處理條件，使成型材料中僅析出Al2Ca相，而避免了對塑性有害的Mg2Ca和Mg17Al12相。與鎂中的常規析出相不同，這種Al2Ca相具有亞微米級尺寸，且其晶體取向隨機。這些Al2Ca析出相一方面阻礙鎂基體中的位錯滑移，提高材料的加工硬化率。另一方面，Al2Ca析出相本身具有類似面心立方的晶體結構，可以在其{111}晶面上形成位錯和堆垛層錯而啟動塑性變形。Al2Ca相的內部塑性有效消除了局部應力集中，使材料能夠保持高延伸率。
此外，溶質Al和Ca抑制孿晶形核，同時促進了位錯，這些也有利於材料的延伸率提升。由於上述機制，這種合金的室溫延伸率高達27%，加工硬化量（以拉伸強度和屈服強度之差表示）可達135MPa。上述性能組合高於已知的所有鎂合金。這種具有超高可加工性的新型Mg-Al-Ca合金無需使用昂貴的稀土元素，通過普通的擠壓工藝一步成型，因此其生產成本很低，有很好的實際應用前景。
圖1. （A）運用Thermo-Calc作熱力學計算，確定合適的熱處理條件及對應的相組分；（B）運用TKD技術表徵亞微米級的Al2Ca相；（C）通過同步輻射衍射對Al2Ca相的體積分數做定量分析；（D）Al2Ca相內部的堆垛層錯變形；（E）晶格應變分析表明Al2Ca相對材料具有強化作用；（F）Mg-Al-Ca合金與其他合金的延伸率及加工硬化量的對比；（G）Mg-Al-Ca合金的微觀變形機制小結。該工作得到了國家自然科學基金、青年長江學者獎勵計劃、上海市青年科技啟明星計劃的支持。