【论文相关信息】
第一作者：陈洪灿
通讯作者：罗群；张宇；李谦
通讯单位：上海大学；重庆大学
论文DOI：10.1016/j.jmst.2025.05.028
引用本文：H. Chen, H. Wen, J. Sun, C. Zhang, J. Li, B. Liu, H. Chen, B. Hu, Q. Luo, Y. Zhang, Q. Li, Quantitative exploration of aging–precipitate–property relationship in Mg-Gd alloys, J. Mater. Sci. Technol. 245 (2026) 221-226.
【全文速览】
本文聚焦Mg-Gd合金析出过程预测难的问题，深入探究了“成分-时效-析出相-硬度”之间的定量关系，揭示了时效过程中合金硬度演变与显微组织的依赖关系。研究通过高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）表征了β'析出相的演变，构建了亚稳β'相的热力学描述和析出动力学参数数据库，结合KWN模型进行析出动力学计算，建立了温度-时间-硬度增量（TTH）图谱，为Mg-Gd基合金的时效工艺设计提供了理论指导。
【背景介绍】
在材料科学领域，“成分-工艺-显微组织-性能”之间的定量关系对于指导新材料设计和阐明性能演变的物理机制至关重要。Mg-Gd合金与其他镁合金相比具有高的强度，在过去二十年中受到了广泛关注和研究。析出硬化被认为是Mg-Gd合金中最有效的强化机制，其强化效果与β'析出相的尺寸、数量密度和体积分数密切相关。然而，由于β'析出相的纳米尺度和亚稳特性，建立高强度Mg-Gd合金中定量的“成分-工艺-显微组织-性能”关系仍是一项重大挑战。
【本文亮点】
l 利用HAADF-STEM技术定量表征了β'析出相在时效过程中的演变。
l 采用亚稳相边界数据和时效过程中析出相演变的动力学行为优化和验证了亚稳β'析出相的热力学描述。
l 构建了亚稳相β'的析出动力学参数数据库，基于KWN模型进行析出动力学计算，建立了“成分-时效工艺-析出相”之间的定量关系。
l 结合强化模型构建了Mg-Gd合金的TTH关系，直观展示时效温度和时间对合金硬度的影响。
【图文解析】
图1展示了Mg-14Gd合金在200℃和250℃下的时效硬化曲线以及不同时效条件下的析出相演变。从时效硬化曲线可以看出，200℃时效时，硬度曲线呈现四个明显阶段，128h达到峰值，硬度增加47HV；250℃时效时，时效动力学显著加快，8 h达到峰值，硬度增加30HV。HAADF-STEM图像则清晰显示了不同时效阶段G.P. 区、β'相、尾状结构和β'相的存在和变化。
图1 (a)Mg-14Gd合金在200°C和250°C下的时效硬化曲线;（b-i）HAADF-STEM图像，其显示在200°C（b-e）和250°C（f-i）下的β'演变。所有HAADF-STEM图像遵循如（b）中所示的相同取向。绿色、红色、蓝色和黄色箭头分别指示G.P.区、β'相、尾状结构和β'F相。
图2为基于构建的热力学描述的计算结果。其中(a)为β'亚稳相边界，(b)展示了β'相的形核驱动力及其温度依赖性和析出动力学的温度依赖性，计算的β'亚稳相边界与实验的亚稳相边界一致。
图2 亚稳相边界和形核驱动力计算结果：（a）β'亚稳相界（部分实验数据来自文献）;（b）β'的形核驱动力：（b1）形核驱动力的温度依赖性;（b2）析出动力学的温度依赖性。
图3是β'析出相显微组织参数的动力学计算结果，包括尺寸、数密度、体积分数和镁基体中Gd的浓度。计算结果与实验数据吻合良好，且尺寸演变可分为四个不同阶段，分别对应硬度变化的四个阶段。
图3 β'析出相的微观结构参数的动力学计算：（a）析出相尺寸，（b）数密度，（c）体积分数，（d）Gd在Mg基体中的浓度。
图4为预测的Mg-Gd合金中β'析出相的TTT曲线。(a)是Mg-14Gd合金的TTT曲线，(b)为Mg-(8-16)Gd合金中β'析出相的转变起始线，体现了成分对β'相形成的影响。鼻点温度与成分呈线性关系，鼻点时间与成分呈Arrhenius关系。
图4 TTT曲线预测结果：（a）Mg-14Gd合金，（b）Mg-（8-16）Gd合金中β'相的相变起始线。（a）中的符号代表实验观察到的析出相，其中实心符号来自本工作，空心符号来自参考文献。
图5展示了硬度增量的预测结果。(a)为Mg-14Gd合金在200℃和250℃时效下的预测硬度增量，(b)对比了计算硬度和实验硬度的误差，硬度预测误差小于6.5 HV，(c)是Mg-14Gd合金中的TTH关系，直观展示了时效温度和时间对合金硬度的影响。
图5 硬度增量的预测：（a）Mg-14Gd合金在200°C和250°C时效时的预测硬度增量，（b）计算硬度和实验硬度的比较，以及（c）Mg-14Gd合金的温度-时间-硬度增量（TTH）关系。
【总结与展望】
研究建立了高强度Mg-Gd合金中的“成分-时效-析出相-硬度”定量关系，定量明确了Mg-Gd合金的硬度演变与亚稳β'析出相的关系。通过HAADF-STEM和热力学-动力学综合计算，实现了对析出相演变和硬度的有效预测，构建的TTT图直观展示了β'析出相的析出动力学，还明确了成分对β'相形成的影响以及硬度变化的物理机制。不过，当前模型无法考虑析出相的转变过程，对于欠时效和完全过时效阶段不能准确模拟。未来，需要开展实验研究阐明析出相的转变机制，开发能够描述析出相转变的析出动力学模型，将相变的临界条件纳入模型，并可结合机器学习方法优化动力学参数，以提高模型的准确性和效率，更好地指导镁合金材料的研发和应用。
【作者介绍】
第一作者：
陈洪灿，上海大学材料科学与工程学院博士研究生，导师为罗群研究员，研究方向为Mg-Gd-Y合金等温析出热力学与动力学。作为主要研究人员参与国家重点研发计划项目、国家自然科学基金面上项目，在J. Mater. Sci. Technol.、Scr. Mater、J. Alloy. Compd.等期刊发表SCI论文10篇，获得国家奖学金两次。
通讯作者：
罗群，上海大学教授、博导。研究方向为基于相变热/动力学计算的铸造铝/镁合金设计。在Adv. Mater.、J. Magnes. Alloy.、J. Mater. Sci. Technol.等期刊发表论文100余篇，热点论文2篇，ESI高被引9篇；授权国家发明专利18件；主持国家自然科学基金优青、国家重点研发计划子课题等项目20余项；获国际镁合金科学与技术奖·年度青年奖、中国有色金属工业科学技术一等奖，入选World TOP 2% Scientists（2023、2024年）、中科协青年人才托举工程，学术兼职了中国材料研究学会理事等，为JMA、RM、MGE Advances、IJMMM、有色金属学报等期刊青年编委。
张宇，重庆大学副教授、博导。主要从事轻合金成分设计与析出相变机理、先进电子显微技术在材料研究中应用等领域研究。主持和参与国家重点研发计划、国家自然科学基金面上、青年项目等9项；在Acta Mater.、Scripta Mater.、J Mater.Sci.Techno1.等国内外期刊发表论文 40余篇，授权专利2件。兼职《Journal of Magnesium and Alloys》和《International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials》青年编委。
李谦，重庆大学二级教授、博导、国家高层次人才特聘教授、国家重点研发计划项目首席科学家。任国际镁学会学术委员会副主任、中国有色金属学会第八届理事会常务理事、中国有色金属学会轻合金材料专业委员会主任委员。兼任J. Mater. Sci. Technol、J. Magnes. Alloy、Int. J. Min. Met. Mater.、J. Mater.、J. Mater. Inf.、Innov. Energy、《中国有色金属学报（中英文版）》等学术期刊的 Associated Editor 或编委。研究方向包括合金相变热/动力学、低成本高密度高安全固态储氢、高强韧高品质铝合金铸件设计。主持国家重点研发计划、863课题、国家支撑计划课题、国家自然科学基金等项目50余项。在 Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Acta Mater.、J. Mater. Sci. Technol等期刊发表 SCI 收录论文400余篇，引用13700余次，H因子64，入选爱思唯尔高被引学者、全球前2%顶尖科学家终身科学影响力排行榜；授权发明专利100余件（已转化应用10余件）；出版中文教材/专著2本，英文专著1本。曾获全国优秀博士学位论文奖、中国有色金属工业科学技术一等奖、中国有色金属创新争先奖、国际镁科学与技术奖、国际镁协会镁未来技术奖等。
