镁(Mg)合金由于具有密度低、比强度和刚度高、铸造性好等优点，在各种工业应用中得到广泛关注。特别是随着稀土元素的加入，形成的Mg-RE合金具有更好的固溶强化和/或稳定的第二相强化，从而使其在室温和高温下的力学性能都优于传统镁合金。铸态Mg-RE合金一般由极粗晶(CG)基体和形成粗晶的共晶化合物组成，微裂纹/孔洞仍然容易在第二相与CG基体之间的界面处形核，从而降低其力学性能。因此，Mg-RE合金的力学性能通常采用晶粒细化方法来改善。然而，由于位错活性被严重抑制，强化的均匀纳米晶金属伴随着塑性的下降。近年来发展了多种表面剧烈塑性变形(SSPD)技术，如表面机械磨损处理(SMAT)、表面机械磨削处理(SMGT)等，以构建独特的结构异质梯度纳米结构，梯度纳米结构的应变分配和应力转移导致了额外的整体应变硬化，从而实现了强度-塑性优越组合。虽然已将SSPD应用于镁合金用于增强综合性能，但是有关稀土原子在Mg基体中的再溶解信息较少，SSPD对Mg-RE合金的强化机理尚不明确。

来自香港理工大学杨许生和石三强、哈尔滨工业大学郑明毅等人采用SMAT技术成功地在WE43合金上制备了梯度纳米结构层。经SMAT处理的WE43合金的抗拉强度约为435 MPa，伸长率约为11%。估算了由晶界、高位错密度和过饱和固溶体引起的硬化效应，探讨了SMAT加工WE43合金沿深度方向的整体塑性强化机制。相关论文以题为“Combining gradient structure and supersaturated solid solution to achieve superior mechanical properties in WE43 magnesium alloy”发表在Journal of Materials Science & Technology。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.04.074

本研究中合金成分为：Mg-4.20Y-2.30Nd-1.44Gd-0.53Zr(WE43)。合金在450℃、40挤压比、速度0.1 mm/s的条件下热挤压，得到1.5mm厚的挤压板。对WE43合金板材进行SMAT，采用直径3mm不锈钢球，在室温下以20kHz的频率下进行10min机械磨损，每处理1min后停止30s，防止试样温度大幅度上升。

研究发现梯度纳米结构WE43合金组织变化过程为：大量位错堆积或位错壁首先在原始粗晶、带有小角度晶界(LAGBs)的超细亚晶内部产生，最后通过位错堆积和排列形成带有大角度晶界(HAGBs)的纳米晶结构。细化过程还伴随着织构弱化效应，在表层形成了平均粒径约为40 nm的近随机取向纳米颗粒。第二相不可避免地被剪切并完全溶解在α-Mg基体中，在细化梯度层中形成过饱和固溶体纳米结构。

图1 挤压态WE43合金的组织分析

图2 经SMAT处理后的WE43板材在表面以下120μm深度的微观结构

图3 经SMAT处理后的WE43板材在表面以下90μm深度的微观结构

图4 经SMAT处理后的WE43板材在表面以下60μm深度的微观结构

图5 经SMAT处理后的WE43板材在(a, b)距表面深度30μm和(c, d)表面的微观结构

经SMAT处理后，WE43合金的显微硬度沿深度方向逐渐增大，在表层达到最大值约117.5 HV。与原始挤压态相比，SMAT加工的WE43合金具有显著的非均相梯度纳米结构应变硬化效应，其综合力学性能得到了提高，极限抗拉强度为435 MPa，伸长率为11.0%。梯度纳米结构WE43合金的拉伸断口沿深度方向随晶粒尺寸的变化呈现出多尺度韧窝，具有较高的强塑性协同作用。

图6 (a) WE43在SMAT过程中的动态再结晶(DRX)过程示意图；(b) SMAT产生的梯度结构

本文采用SMAT技术在室温下成功制备了梯度纳米结构WE43合金。详细讨论了细化过程中的微观组织演变和相应的强化机制。在现有的SMAT加工的WE43合金中，这些协同硬化效应使得SMAT加工的镁合金和其他SSPD加工的合金具有非凡的力学性能。这项工作有助于全面了解梯度纳米结构Mg-RE合金的组织演变和力学强化行为。