摘要：镁合金具有密度低、比强度和比刚度高、电磁屏蔽性强、阻尼减振性好、资源丰富和易于回收利用等特点，在国防军事、电子通信、航空航天及交通运输等领域展现出广阔的应用前景。尤其是在“碳达峰”和“碳中和”背景下，镁合金的轻质性优势和节能减排效果加快推进了对镁合金产品的需求

镁合金具有密度低、比强度和比刚度高、电磁屏蔽性强、阻尼减振性好、资源丰富和易于回收利用等特点，在国防军事、电子通信、航空航天及交通运输等领域展现出广阔的应用前景。尤其是在“碳达峰”和“碳中和”背景下，镁合金的轻质性优势和节能减排效果加快推进了对镁合金产品的需求。目前，大多数镁合金产品以铸造为主，而实际应用中对镁合金塑性加工产品需求更多，因此对镁合金塑性成形性能调控及机制的研究得到重视。镁合金超塑性成形是利用镁合金在一定温度、变形速度、组织等条件下的超塑性特性进行大变形成形的加工方式，可一次成形结构复杂产品，且成形精度高。然而，由于镁合金室温成形性较差，采用塑性加工技术生产的镁合金产品常需要在高温下进行，这不仅提高了生产成本，还易使材料产生氧化、烧损和热脆等缺陷，进而影响产品性能。为此，提高镁合金室温塑性，开发镁合金室温成形技术，一直是广泛关注的研究课题。室温超塑性成形技术可一次成形复杂零件，在简化工艺的同时生产出力学性能好、尺寸精度高、表面粗糙度低的产品，能满足多样化工程结构件的制备要求。近年来国内外研究者开始陆续开展镁合金室温超塑性研究工作，并取得一定成果。

导读

武汉理工大学研究团队综述了镁合金实现超塑性变形的晶界滑移机制，并提出了镁合金实现室温超塑性引入晶界滑移变形机制的必要性。基于晶界滑移调控的超塑性变形本构方程，提出了镁合金室温超塑性变形引入晶界滑移的途径。最后，综述了镁合金室温超塑性变形的研究现状，并对其研究方向进行了展望。该研究成果发表在2025年第45卷第2期《特种铸造及有色合金》期刊上，题目为：“镁合金室温超塑性研究进展”。

【图文内容】

1镁合金超塑性变形概述

超塑性是指多晶材料在特定条件下展现的高流变性能和低抗力塑性变形能力，伸长率超过200%。主要分为组织超塑性和相变超塑性，其中组织超塑性更易操作，尤其适用于镁合金。实现组织超塑性需满足微细化、等轴化组织，高应变速率敏感性系数（m>0.3），以及适宜的变形温度。

镁合金在室温下展现的超塑性要求特定组织结构和变形速率，伸长率同样超过200%。研究表明，不同晶粒尺寸的镁合金实现超塑性的变形温度不同，超细晶镁合金可在较低温度下实现超塑性。常用镁合金的室温力学性能显示，除Mg-Li合金外，其他工业用镁合金的室温伸长率通常在10%~20%之间，难以满足室温超塑性要求。

图1常用镁合金在应变速率高于1×10-3 s-1下获得超塑性所需的最低变形温度

图2常用镁合金室温力学性能

2镁合金实现室温超塑性的变形机制

镁合金在室温下的变形主要通过位错滑移和孪生进行。由于基面的临界分切应力远低于柱面，通常只有基面滑移发生。基面滑移系由（0001）滑移面和滑移方向组成，但室温下镁合金只能开启2个独立滑移系，无法满足均匀塑性变形的要求，且位错运动仅限于基面，无法提供轴变形。孪生是镁合金重要的塑性变形机制，孪晶面为｛1012｝，孪生方向为。孪生的临界分切应力较高，通常在滑移困难时发生。孪生对镁合金塑性变形的直接贡献小，主要作用是调节晶体取向，促进进一步滑移。因此，镁合金在室温下的塑性较差，难以达到超塑性的伸长率要求。

实现镁合金室温超塑性变形，需理解其微观本质。研究者普遍认为晶界滑移是镁合金超塑性变形的主要机制。晶界滑移通过晶粒界面间的相对滑动实现晶粒移动和换位。在超塑性变形过程中，镁合金晶界滑移的激活能略高于扩散激活能，常在晶界三叉区域和镁基体与增强相界面处产生应力集中，导致空位、间隙、裂纹等缺陷，阻碍晶界滑移。为持续晶界滑移，需额外机制缓解应力集中、避免缺陷形成、增强晶界活性，主要协调机制包括扩散蠕变、位错蠕变、动态再结晶等。

扩散蠕变分为Nabarro-Herring晶格扩散蠕变和Coble晶界扩散蠕变。扩散蠕变协调晶界滑移中的局部体积变化产生的不兼容应变。Ashby-Verrall模型解释了伴随扩散蠕变的晶界滑移机制，晶粒在超塑性变形中保持等轴晶结构。镁合金超塑性变形晶界滑移机制扩散协调的具体类型，可通过计算变形激活能Q来确定。

图3扩散蠕变机制模型

低温下晶界扩散是镁合金晶界滑移主要协调机制，高温下晶界扩散和晶格扩散同时起着重要作用。

图4Ashby-Verrall模型

Ball-Hutchison模型揭示了晶界滑移机制，其中晶粒群在遇到障碍晶粒时会停止滑移并产生应力集中。当应力足够大时，位错在障碍晶粒内开动并塞积，最终导致晶界滑移重新开启。对于镁合金，位错蠕变协调的晶界滑移机制通常在高应变速率下发生。研究表明，随着应变速率增加，稀土镁合金的扩散激活能降低，但材料仍保持超塑性，这归因于晶界滑移协调机制的转变。动态再结晶是镁合金超塑性变形的关键协调机制，它能细化晶粒尺寸，改善超塑性成形能力，特别是在低温或高应变速率下。

晶界滑移是镁合金超塑性变形的关键机制，而室温下镁合金主要通过位错滑移和孪生变形。引入晶界滑移机制到镁合金室温变形中，有望改善其室温成形性，实现室温超塑性。已有研究证实镁合金在室温变形过程中存在晶界滑移现象。

图5Ball-Hutchison模型

3镁合金室温变形引入晶界滑移的途径

根据晶界滑移的协调机制分析，影响镁合金晶界和晶格扩散以及位错运动的因素均会对其室温超塑性的实现有影响。在镁合金变形过程中，降低实现超塑性性能的温度主要有2种方法，一是细化晶粒尺寸，二是增强晶界扩散。

组织细化可提升镁合金在室温下的晶界滑动。晶粒越小，晶界面积增大，活性增强，扩散易激发，晶界滑移更易发生。晶粒减小也缩短位错塞积距离，促进晶界滑移。研究表明，晶界对室温塑性变形的贡献随晶粒尺寸减小而增强，组织细化至超晶/纳米晶尺度有助于镁合金室温超塑性。然而，尽管纳米晶镁合金在室温下不具超塑性，超塑性通常需在高于材料熔点一半的温度下实现，目前室温超塑性主要限于低熔点合金。

晶界偏析有助于室温晶界滑动。研究表明，控制晶界化学成分和元素局部富集可改善塑性变形。添加合金元素能调整化学成分、影响晶界行为、提升塑性性能。晶界偏析位置易产生裂纹，镁合金中多数元素导致晶界脆化，因此元素选择对改善室温塑性至关重要。研究发现，Li和Mn元素晶界偏析可增加晶界能量、促进晶界滑移，从而提高镁合金室温塑性。元素晶界偏析是实现镁合金室温超塑性的关键。

镁合金室温超塑性研究取得进展，高压扭转技术和挤压技术被用于制备超细晶和细晶镁合金。这些技术制备的镁合金在特定变形速率和温度下展现出良好的室温超塑性性能，主要变形机制为晶界滑移。晶粒细化显著提升了镁合金的室温塑性，表明组织细化是提高镁合金室温塑性的有效途径。

【未来展望】

镁合金超塑性变形机制通常为晶界滑移，该变形机制常在高温下发生，而镁合金室温塑性变形机制主要为位错滑移和孪生，在这两种变形机制下镁合金室温塑性较差、难以实现室温超塑性。通过组织细化、元素晶界偏析等方法可以增强镁合金室温晶界活性、促进室温晶界滑动，在室温塑性变形中引入晶界滑移变形机制，可有效改善镁合金室温塑性，进而实现室温超塑性。

目前，镁合金室温超塑性的研究仅限于Mg-Li、Mg-Bi、Mg-Mn等二元镁合金，而工业常用的多元镁合金室温超塑性研究报道很少，因此有必要开展多元镁合金室温超塑性研究。此外，镁合金室温晶界滑移机制影响因素众多，仅通过试验方法厘清组织特征、元素种类和室温塑性之间关系来指导实现镁合金室温超塑性工作量巨大，因此有必要开展镁合金室温塑性变形计算模拟研究。

引用格式

付翰林，王永贵，柴方，等. 镁合金室温超塑性研究进展［J］. 特种铸造及有色合金，2025，45（2）：173-178.

Citation:FU H L，WANG Y G，CHAI F，et al. Research progress in room-temperature superplasticity of magnesium alloys［J］. Special Casting & Nonferrous Alloys，2025，45（2）：173-178.

编辑/排版：江姗

校对：刘晨辉

审核：张正贺

来源：特铸杂志