纳米陶瓷颗粒增强镁基复合材料由于其低密度、高比强度等优点受到航空航天、汽车和军事工业等领域青睐。然而，纳米增强体比表面积大，范德华力作用较强，润湿性差等原因，导致其在制备过程中难以分散，因此难以实现理想的强化效果。大量研究工作通过特殊分散工艺或增强体表面改性来提升纳米增强体的分散性，但其强度-塑性矛盾的问题仍难以解决，限制了该类材料的实际应用。近年来，以“构型强韧化”理念对复合材料进行微结构设计，成为目前解决强度-塑性难题的一种极具前景的策略。来自成都大学的范玲玲等人利用粉末冶金和热挤压工艺，将双异质结构引入镁基复合材料中，实现纳米颗粒增强的镁基复合材料塑性大幅提升的同时，保证其高强度。与均匀结构的复合材料相比，双异质复合材料的延伸率提高了116%，强塑积(SDP)提高了165%，同时保持417±4
MPa的高极限抗拉强度(UTS)。该复合材料包含基体晶粒尺寸和颗粒分布两个层次的非均匀分布，由颗粒稀疏的粗晶区（CG）和颗粒丰富的细晶区（FG）组成。本论文研究了双异质结构和均匀结构对TiC/AZ61复合材料力学性能的影响，从异质变形诱导(HDI)的额外应变硬化角度阐述了双异质结构复合材料的强韧化机理。分析了两种复合材料在不同塑性变形阶段的GND密度变化规律，详细讨论两种复合材料的断裂机理。此外，本工作采用CPFEM研究了双异质结构强韧化机理，为新一代高强高塑性兼备镁基复合材料的开发和应用提供了新范例。根据显微组织表征和晶体塑性有限元建模(CPFEM)分析，显著的力学性能提升主要是由于异质变形诱导(HDI)应变硬化引起的额外应变硬化和粗晶区具有较好的裂纹钝化能力。值得注意的是，CG区在变形初期(≤45%的总塑性变形量)的应变硬化贡献小，但在随后的变形阶段显著增加，位错储存率是细晶区的两倍多。这是由于粗晶区的大晶粒尺寸和低位错密度，为位错的储存提供了更大的空间。此外，随着变形量增加，塑性变形不均匀性加剧，导致更多几何必要位错(GNDs)在异质界面附近产生以及堆积，从而增强了HDI硬化。断裂机理分析表明，双异质结构镁基复合材料的裂纹主要在FG区萌生，随着变形量增加，细晶区微裂纹数量增加，且当一些微裂纹扩展至粗晶区附近处会被有效钝化。相比之下，在均匀镁基复合材料中，微裂纹萌生后容易扩展至相互连接从而形成大尺度裂纹。因此，异构镁基复合材料中裂纹扩展需消耗更多能量，从而延缓了裂纹扩展的速度，具有更高的断裂韧性。本研究验证了双异质结构设计在镁基复合材料中的有效性，通过实验分析和CPFEM对其变形机制提供了新的理解，为高性能、轻量化结构材料的开发奠定了基础。![]()
图1.异构TiC/AZ61复合材料的(a)和(b) OM图，(c) 背散射SEM图，(d) (0001)极图；均匀TiC/AZ61复合材料的(e)和(f)OM图像，(g)背散射SEM图像，(h) (0001)极图。(i)为(c)中Mg、Al、Zn、Ti、C和Mn元素对应的EDS面扫图
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图2.(a) 均匀和异构的 TiC/AZ61 复合材料以及AZ61合金的工程应力-应变曲线， (b)应变硬化率曲线，(c)本研究和之前报道的镁合金和镁基复合材料中[131-138]，异质结构相对于均匀结构的延伸率和强塑积提升幅度的比较，(d) TiC/AZ61纳米复合材料和其它镁基复合材料拉伸力学性能的结果比较图
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图3.加载前的(a)均匀和(b)异构复合材料的 GND 密度图；经过45%塑性变形量的(c)均匀和(d)异构复合材料的GND 密度图；拉伸断裂后的(e)均匀和(f)异构复合材料的GND 密度图
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图4. 异质结构镁基复合材料的晶体塑性有限元建模（CPFEM）：（a）用于CPFEM的由电子背散射衍射（EBSD）表征得到的非均质微观结构；（b）异质结构、细晶粒和粗晶粒镁基复合材料的 CPFEM 模拟与实验单轴拉伸应力-应变曲线对比；（c）双异质复合材料在 5%应变下的等效应力；（d）双异质复合材料在5%应变下的累积塑性能量分布
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图5 两种复合材料在不同塑性应变下垂直于拉伸方向的应变分布的演变：(a)均匀结构，(b)异质结构
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图6不同原位拉伸位移下异质结构镁基复合材料的微裂纹演化：(a) 0 mm， (b) 1.0 mm，(c) 1.25 mm， (d)断裂
相关成果以“The
strength-ductility synergy of magnesium matrix nanocomposite achieved by a
dual-heterostructure”为题发表在Journal
of Materials Science & Technology (Volume 215, 2025, 296-314), 第一作者为Lingling Fan，通讯作者为Ying Zeng，Xu Zhang。论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.07.027
