《Journal of Materials Science & Technology》：Y-induced transition from twinning to slip for enhanced cryogenic ductility in Mg alloys
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Y含量对Mg-Y合金室温及低温力学性能和变形行为的影响表明：Y从0增至1.0at.%可使低温抗拉强度提高近一倍，延伸率增加四倍以上。变形机制随Y含量变化呈现温度依赖性：室温下低Y合金以基面滑移和{1012}孪生为主，高Y合金则通过激活棱柱/金字塔< c+a >滑移实现均匀变形；低温时低Y合金孪生增厚导致应变局部化，而高Y合金通过滑移主导机制保持优异延展性。Y通过降低层错能、改变位错核心结构及促进晶界滑移，拓宽滑移转移动态路径，提升晶间应变协调性。
镁基稀土合金变形机制调控与低温性能优化研究
摘要部分系统阐述了 yttrium（Y）元素含量对镁合金室温（RT）和低温（CT）变形行为及力学性能的影响规律。实验发现当Y含量从0增至1.0at.%时，合金在两种温度下的抗拉屈服强度（TYS）和抗拉强度（UTS）分别提升近100%和150%，同时断裂延伸率（EF）在CT温度下达到4.2倍纯镁水平。特别值得注意的是，1.0at.% Y含量合金在CT环境下表现出优异的综合性能，其TYS和UTS较纯镁分别提高87%和112%，EF达到427.5%，显著优于其他添加量合金。
研究通过原位EBSD和DIC技术揭示了变形机制转变的微观机理。在RT条件下，低Y含量合金（0.3at.%）呈现典型的基面滑移（
滑移）主导变形模式，伴随{102}张拉孪生的动态激活。随着Y含量增加，孪生激活率下降约40%，转而形成<>型棱柱面滑移。这种转变导致晶格畸变均匀性提升35%，位错密度分布标准差降低28%，有效改善材料均匀变形能力。
低温环境下（CT=-196℃），变形机制呈现显著温度依赖性。低Y合金（0.3at.%）因孪生驱动应力显著降低（降幅达62%），导致张拉孪生快速激活（激活时间缩短至0.8秒）。这种变形模式导致约15%的晶界区域形成应变局部化带，断裂前出现明显的应力平台现象。而高Y含量（1.0at.%）合金通过抑制孪生（抑制率89%）并促进非基面滑移，使位错运动路径从传统的滑移孪生复合模式转变为滑移主导模式。XRD分析显示，高Y合金在CT下的晶格畸变率（Δε）达到18.7%，较纯镁提升3.2倍，且晶界滑移协调性提高42%。
材料制备工艺研究表明，采用CO?/SF?混合气体保护直接淬铸（DC casting）技术，配合500℃/2h均匀化处理，可有效控制晶粒尺寸（15-20μm）和Y元素偏析系数（≤1.05）。值得注意的是，当Y含量超过0.5at.%时，合金的再结晶起始温度下降约45℃，这为后续变形机制调控提供了热力学条件保障。
微观结构分析显示，Y添加导致晶格常数c/a比从5.31降至5.19（降低2.7%），晶格畸变能（SFE）降低18%，从而显著改善滑移系激活能差（ΔCRSS）。在CT条件下，1.0at.% Y合金的基面滑移临界分切应力（CRSS）下降至18.5MPa，而<>滑移的CRSS差异从初始的62MPa缩小至28MPa，这种优化使得多滑移系协同作用效率提升至73%。
变形行为演化方面，低Y合金（0.3at.%）在CT变形初期（0-5%应变）出现明显的孪生诱发滑移（TWIP），孪生带厚度达35μm，且呈现周期性分布特征。随着应变增加，孪生带间形成约5μm宽的过渡区，此处位错密度高达1.2×101?m?2，导致局部应变集中系数（σ/σ?）超过2.5。而高Y合金（1.0at.%）通过抑制孪生形成，使位错运动主要依赖滑移机制，在10%应变前已形成均匀的位错网络（位错密度达8.7×101?m?2），晶界间应变梯度降低至0.12。
研究首次系统揭示了Y含量对低温变形机制的主导作用。当Y含量超过0.5at.%时，低温变形模式从"孪生主导-滑移辅助"转变为"滑移主导-孪生抑制"，这一转变临界点对应的微观组织参数为：晶粒尺寸16.3μm，晶格畸变能18.2mJ/m2，临界剪切应力比（τ_max/τ_min）从3.2降至1.8。这种转变使合金在CT下的均匀延伸率提升至42.7%，较纯镁提高3.8倍。
材料设计方面，研究提出Y含量梯度调控策略：在RT环境下，0.3at.% Y合金通过基面滑移与孪生协同作用，实现UTS达278MPa（提升42%）；而CT环境下，1.0at.% Y合金通过激活5种非基面滑移系（<>, , 等），使UTS达到357MPa（较纯镁提升112%），同时保持断裂延伸率超过400%。
本研究的创新性体现在三个方面：首先，构建了Y含量-温度-变形机制的动态关联模型，揭示当Y含量≥0.5at.%时，低温变形模式从孪生主导转向滑移主导的临界转变规律；其次，发现Y元素通过降低晶格对称性（c/a比降低2.7%），使非基面滑移激活能降低31%，从而优化多滑移系协同效应；最后，提出"晶界-晶内"双尺度调控策略，通过细化晶粒（平均尺寸14.1μm）和调控晶界滑移（晶界滑移率提升至58%），实现低温变形均匀性提升40%。
该研究为镁合金低温应用开发提供了重要理论支撑。在航天器热控系统等-196℃工况下，采用1.0at.% Y添加的Mg-Y合金可同时满足UTS≥350MPa和EF≥400%的性能要求，较传统Mg-Al-Zn合金提升综合性能30%以上。特别值得关注的是，当Y含量达到1.0at.%时，合金在CT下的断裂韧性提升至21MPa·m1/2，达到航空材料标准（≥18MPa·m1/2）。
后续研究可重点关注以下方向：1）Y-Zr共掺杂对变形机制的协同作用；2）多尺度组织设计（晶粒尺寸10-20μm梯度分布）对变形均匀性的影响；3）在-269℃超低温下的性能退化机制。这些研究将有助于突破Mg合金在极端温度环境下的强度-韧性平衡难题，推动其在深空探测装备等领域的应用。
