導(dǎo)讀：幾十年來(lái)，高鎂（>3 wt%）的5xxx系鋁合金的致命弱點(diǎn)是對(duì)晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕開裂具有高度敏感性，這是因?yàn)樵谥械雀邷叵拢Ы纾℅Bs）析出了電化學(xué)活性的富鎂β相。在此，本文通過動(dòng)態(tài)塑性變形和適當(dāng)?shù)耐嘶鹛幚恚苽淞司哂懈弑壤徒嵌染Ы绲容S晶納米結(jié)構(gòu)Al-5Mg合金。低角度晶界的比例達(dá)到70%，能極大地抑制GBs處β相的析出。納米結(jié)構(gòu)Al-5Mg合金在150℃敏化100小時(shí)后，表現(xiàn)出優(yōu)異的晶間腐蝕抗力和應(yīng)力腐蝕開裂抗力。此外，其強(qiáng)度和延展性遠(yuǎn)高于相應(yīng)的粗晶合金，從而解決了幾十年來(lái)一直存在的經(jīng)典問題。通過動(dòng)態(tài)塑性變形和適當(dāng)?shù)耐嘶鹨敫弑壤牡徒嵌染Ы纾瑸榘l(fā)展先進(jìn)的納米結(jié)構(gòu)鋁合金提供了一種新的策略。

Al-Mg 5xxx系列合金具有比強(qiáng)度高、成形性好、焊接性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車、造船等行業(yè)作為結(jié)構(gòu)材料。Al-Mg合金的強(qiáng)度主要依靠固溶強(qiáng)化，因此Mg含量越高，強(qiáng)度越高。為了降低高強(qiáng)度鋁鎂合金的SCC敏感性，建議在相對(duì)較高的溫度下進(jìn)行熱處理，通過在GBs處形成相對(duì)粗糙但分散的沉淀來(lái)穩(wěn)定合金。因此，這些策略在進(jìn)一步提高鋁鎂合金強(qiáng)度和抗應(yīng)力腐蝕性能方面存在局限性。

為了解決這個(gè)問題，在Al-Mg合金中加入了Sc、Zr和Er等合金元素，通過與基體形成分散的共格相來(lái)抑制再結(jié)晶，從而釘扎晶界并穩(wěn)定組織。盡管如此，由于大量粗大析出物的存在，局部腐蝕仍然不可避免，從而降低了耐腐蝕性能。此外，在GBs處析出的相可以降低用于強(qiáng)化的固溶Mg含量。因此，這些策略對(duì)進(jìn)一步提高 Al-Mg 合金的強(qiáng)度和抗 SCC 能力有一定的限制。到目前為止，在不降低應(yīng)力腐蝕抗力的前提下提高鋁鎂合金的強(qiáng)度仍然是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。在以前的研究中，我們已經(jīng)證明，通過高應(yīng)變率塑性變形，高SFE金屬（如鎳和鋁）可以以納米層狀結(jié)構(gòu)的形式產(chǎn)生高密度的低角度GBs。具有LAGB的納米層合結(jié)構(gòu)不僅具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，而且具有較高的硬度。此外，由于沉淀成核的動(dòng)力學(xué)屏障增大，LAGBs還可以抑制GBs處的沉淀。因此，可以預(yù)期，LAGBs可以在不損害SCC電阻的情況下成為增強(qiáng)Al-Mg合金的有希望的界面。

中國(guó)科學(xué)院金屬研究所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室與中國(guó)科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院團(tuán)隊(duì)通過高應(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)塑性變形和適當(dāng)?shù)耐嘶鹛幚恚晒Φ刂苽淞司哂袔缀醯容S晶體結(jié)構(gòu)的納米結(jié)構(gòu)Al-5Mg（wt%）合金，其LAGBs分?jǐn)?shù)高（70%），平均晶粒尺寸為500 nm，并且在金屬頂刊Acta Materialia上發(fā)表了題為“Stress corrosion cracking resistant nanostructured Al-Mg alloy with low angle grain boundaries”的學(xué)術(shù)論文。在150°C敏化100 h后，發(fā)現(xiàn)CG-Al-Mg合金中的GBs上有富鎂粗顆粒沉淀。然而，通過TEM觀察和EDS圖譜，在敏化NS-Al-Mg合金中的GBs處未檢測(cè)到明顯的富鎂顆粒。硝酸質(zhì)量損失試驗(yàn)表明，敏化NS合金具有優(yōu)異的抗IGC性能。更重要的是，敏化NS樣品具有優(yōu)異的抗SCC性能，其屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率高于CG樣品。NS-Al-Mg合金優(yōu)異的綜合性能歸因于高比例的LAGBs抑制了析出，并通過優(yōu)化晶粒尺寸改善了加工硬化性能。這一發(fā)現(xiàn)揭示了納米結(jié)構(gòu)Al-Mg合金的新特性，對(duì)開發(fā)綜合性能優(yōu)異的鋁合金具有廣泛的意義。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S135964542100985X

擠壓和均勻化后，粗晶Al-Mg合金呈現(xiàn)隨機(jī)取向的等軸晶粒結(jié)構(gòu)，如EBSD反極圖（IPF）圖（圖1a）所示。粗粒樣品的平均粒度約為257μm（表1）。錯(cuò)向角的統(tǒng)計(jì)分析（圖1b）表明，HAGBs的比例為91%，而只有9%的GBs的錯(cuò)向角低于15°。變形鋁鎂合金中引入了一種典型的層狀結(jié)構(gòu)，其延伸方向垂直于壓縮方向，邊界特征的統(tǒng)計(jì)分析表明，LAGBs的分?jǐn)?shù)占77%（圖2d）。這些結(jié)果表明，在適當(dāng)?shù)臏囟认峦嘶鹂梢栽诓桓淖僉AGBs比例的情況下降低位錯(cuò)密度，增加晶粒尺寸。對(duì)于敏化CG樣品，在150°C敏化100 h后，觀察到大量富鎂顆粒在GBs上沉淀。圖4a中顯示了一個(gè)典型示例，其中沉淀連續(xù)分布在多個(gè)隨機(jī)晶界上。這一結(jié)果與以下事實(shí)一致：對(duì)于敏化Al-Mg合金，在GBs上形成粗Al3Mg2沉淀是熱力學(xué)上有利的過程。

圖1（a）IPF圖和（b）CG Al-5Mg樣品的取向角分布。

圖2（a）IPF圖，（b）典型的亮場(chǎng)橫截面TEM圖像和衍射圖，（c）晶粒尺寸分布和（d）形變NS-Al-5Mg樣品的取向角分布。

圖3在210°C下退火6 h的NS-Al-Mg合金的微觀結(jié)構(gòu)。（a）亮場(chǎng)橫截面TEM圖像和衍射圖案，（b）晶粒尺寸分布，（C）IPF圖和（d）取向角分布。

圖4敏化CG-Al-Mg合金在GBs處的晶體結(jié)構(gòu)觀察和析出物成分分析。（a） 亮場(chǎng)TEM圖像，（b）HRTEM圖像，以及沿[11]區(qū)軸的沉淀的相應(yīng)FFT圖案，（c）在（a）和（d）中標(biāo)記的白色方形區(qū)域GBs處沉淀的元素映射。沿（c）中所示的白色箭頭，穿過沉淀的Al和Mg元素濃度分布圖，驗(yàn)證GBs上是否存在Al3Mg2相。

圖5在210°C下退火6 h，然后在150°C下敏化100 h的敏化NS-Al-Mg合金的微觀結(jié)構(gòu)。（a）典型的亮場(chǎng)橫截面TEM圖像和衍射圖案，（b）晶粒尺寸分布，（C）IPF圖，（d）取向角分布，（e）LAGB的高角度環(huán)形暗場(chǎng)（HAADF）圖像和（f）相應(yīng)的FFT圖像，其顯示LAGB處沒有沉淀。

圖6敏化NS-Al-Mg合金的元素圖。（a） 相對(duì)低倍放大的HAADF-STEM圖像和（b）Mg和（c）Al的對(duì)應(yīng)元素映射，（d）高倍放大的HAADF-STEM圖像和（e）Mg和（f）Al在（d）中標(biāo)記的白色矩形區(qū)域的元素映射。

圖7敏化NS樣品中分散富鎂沉淀成核位置的表征。（a） HAADF-STEM圖像和（b）相應(yīng)的元素圖，確認(rèn)Al3Mg2沉淀更傾向于在HAGBs（例如G1/G5、G2/G5、G3/G5）處形成，而不是在LAGBs（例如G1/G2、G2/G3、G3/G4、G5/G6）處形成。晶粒用“G”表示，后面是不同的數(shù)字，在GBs處顯示了取向錯(cuò)誤角值。

圖8 NALMT測(cè)試樣品的橫截面圖像。（a） 敏化CG和（b）在30°C的濃硝酸中浸泡24小時(shí)后的敏化NS樣品。紅色虛線表示暴露于硝酸的表面。

圖9敏化CG和NS鋁鎂合金的NAMLT值與屈服強(qiáng)度。一些典型的5xxx合金[3,4、[57]、[58]、[59]、[60]、[61]的數(shù)據(jù)也包括在內(nèi)，以供比較。

圖10敏化CG和敏化NS-Al-Mg合金在空氣和3.5 wt%NaCl溶液（pH 3）中以1.0的應(yīng)變率測(cè)試的典型SSRT拉伸曲線?×?10?6秒?1.

圖11拉伸試驗(yàn)后敏化CG和敏化NS樣品的斷裂形態(tài)。（a） 在空氣中敏化CG，（b）在3.5 wt%NaCl溶液中敏化CG，（c）在空氣中敏化NS，（d）在3.5 wt%NaCl溶液中敏化NS。

圖12敏化NS-Al-Mg合金和典型敏化5xxx-Al-Mg合金的拉伸性能和抗SCC性能比較[4,7,8,57,62,63]。（a） 空氣中試驗(yàn)的伸長(zhǎng)率與屈服強(qiáng)度和（b）SCC敏感性與屈服強(qiáng)度。

圖13敏化NS-Al-Mg合金拉伸后的微觀結(jié)構(gòu)。（a） 具有密集位錯(cuò)的應(yīng)變樣品的典型亮場(chǎng)TEM圖像和（b）相應(yīng)的晶粒尺寸分布。