Hot tearing behavior and underlying mechanisms of Mg-xCu-2xGd alloys with varying total Cu and Gd content
本研究表明，增加 Mg-Cu-Gd 合金中 Cu 和 Gd 的总含量能通过缩短枝晶间补给阶段、通过 LPSO 相的形成增强裂纹愈合能力以及延迟凝固过程中的应力积累，从而显著降低热裂敏感性。
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镁是一种既极其轻盈又出奇强韧的金属，这种罕见的结合使其成为制造需要节省燃料的飞机和汽车的理想材料。然而，将这种金属加工成各种有用形状的过程却极其困难。当熔融状态的镁冷却凝固时，它会显著收缩。如果金属在冷却过程中被模具固定住，内部就会产生应力。由于在冷却过程中金属仍处于半液态和半固态的状态，此时它既脆弱又易碎。如果应力在金属完全硬化之前变得过大，它就会从内部撕裂，产生被称为“热裂纹”的缺陷。这些缺陷会毁掉最终产品，限制了镁零件能制造出的尺寸或复杂程度。为了解决这个问题，科学家们一直尝试将镁与其他元素（如铜和稀土金属）混合以制造更强的合金，但他们仍需准确了解这些混合物在冷却过程中的具体行为，以防止那些灾难性的裂纹发生。
来自沈阳工业大学和金属研究所的一个研究小组致力于通过研究一类特定的镁-铜-钆（一种稀土元素）合金来解开这个谜团。他们制作了四种不同版本的合金，每种合金中铜和钆的总量不同，但两者之间的比例始终保持不变。他们的目标是观察增加这些成分是否能使金属在凝固时不易发生撕裂。他们将熔融金属倒入一个特殊的T型模具中，该模具旨在迫使金属以一种能够揭示其弱点的方式进行收缩。通过观察金属如何冷却并测量其承受的应力，他们可以精确地看到裂纹何时以及为何形成，或者它们是否成功实现了自我修复。
结果显示出一个清晰且令人鼓舞的趋势：随着研究人员增加混合物中铜和钆的总量，金属抵抗撕裂的能力显著增强。添加剂含量最低的合金在模具中心发生了完全断裂，而添加剂含量最高的合金仅出现了细微的发丝状裂纹，并未导致部件破碎。科学家们发现，这种改善是因为额外的成分改变了金属在冷却最后阶段的行为。在添加剂较多的合金中，随着金属开始凝固而形成的微小树枝状结构保持分离的时间更长，从而允许液态金属自由流动进入任何出现的间隙。这种自由流动的液体就像一种天然填充物，在裂纹变大之前就涌入其中。
这一修复过程的一个关键因素是形成了一种被称为“长周期堆垛有序相”的特定内部结构。在铜和钆含量较高的合金中，更多这种结构的形成。这种相结构起到了桥梁的作用，连接着金属的固体部分，并有助于更均匀地分布应力。当裂纹开始形成时，富含铜和钆的液态金属会流向间隙，并凝固成这种桥接结构。一旦固化，这种新材料就会与周围的金属形成紧密、无缝的结合，有效地将裂纹焊合，防止其重新开启。研究人员还发现，这种结构形成的物理过程会释放热量，这恰好软化了金属的骨架，从而延迟了应力的积聚，为液体流动和修复损伤争取了更多时间。
为了准确理解这些合金抵抗撕裂的能力，团队采用了一种数学方法来测量金属最脆弱的温度范围。他们发现，一种观察金属从半固态变为全固态时温度下降的特定测量值，与他们在模具中看到的物理损伤完美匹配。铜和钆含量最高的合金在该测量值上的得分最低，证实了它具有最强的抗撕裂能力。研究结论指出，通过仔细调整这些特定元素的含量，工程师可以制造出不仅强度高而且更容易铸造成无缺陷形状的镁合金。这一发现为设计更好的镁合金部件提供了一条清晰的路径，确保这种材料的轻盈与强韧不会因历史上困扰其应用的裂纹问题而丧失。
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