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東大&大連交大《MD》：成分誘導(dǎo)鋁鎂合金的組織性能及強(qiáng)化機(jī)制！

2022-08-15 15:44:31 作者：材料科學(xué)與工程來(lái)源：材料科學(xué)與工程分享至：

鋁鎂合金具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕性好、焊接性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、高速列車、航海等領(lǐng)域。為了獲得優(yōu)異的力學(xué)性能，擴(kuò)大鋁鎂合金的應(yīng)用范圍，有必要通過(guò)一定的強(qiáng)化方式來(lái)調(diào)整鋁鎂合金的強(qiáng)度和塑性。Mn、Zn、Cr和稀土(RE)元素合金化是Al-Mg合金晶粒細(xì)化和力學(xué)性能提高的主要措施。其中，Mn與Sc元素是很有前景的合金化元素，Mn和Sc元素的加入導(dǎo)致二次相的形成，如Al6Mn和Al3Sc相。這有助于提高Al-Mg合的可焊性和提高再結(jié)晶溫度。此外，添加Mn或Sc元素形成的二次相對(duì)Al-Mg合金的變形行為起著重要的決定作用。在變形過(guò)程中，小尺寸的Al6Mn相和納米級(jí)的Al3Sc彌散相抑制了晶粒的粗化。

東北大學(xué)&大連交大&山東理工等單位的研究團(tuán)隊(duì)基于成分設(shè)計(jì)的理念，研究了添加Mn和/或Sc元素的Al-Mg合金的組織演變和力學(xué)性能，提出Al-Mg-Mn-Sc具有很大的改善力學(xué)性能的潛力。相關(guān)論文以題為“Microstructure evolution, mechanical property response and strengthening mechanism induced by compositional effects in Al–6 Mg alloys”發(fā)表在Materials & Design。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.matdes.2022.110849

圖1 TEM圖像顯示了熱擠壓后的顯微組織演變

通過(guò)對(duì)比擠壓前后的顯微組織發(fā)現(xiàn)，在Al-6Mg-0.8Mn-0.2Sc合金中，觀察到的長(zhǎng)條狀白色相細(xì)化為短棒狀或塊狀相。更重要的是，隨著Mn元素的加入，納米Al6Mn相的數(shù)量減少，呈菱形或板狀。Sc元素的加入導(dǎo)致晶粒細(xì)化，促進(jìn)了Al6Mn相的析出。經(jīng)熱擠壓后，Al-6Mg-0.8Mn-0.2Sc合金中納米Al6Mn相數(shù)量減少；Al6Mn相的形貌轉(zhuǎn)變?yōu)榱庑?板形，平均長(zhǎng)度從500 nm左右減少到50~150 nm。

圖2 a)擠壓合金工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線;(b) Al-Mg合金的UTS和塑性對(duì)比

擠壓后Al-6Mg-0.8Mn-0.2Sc合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別為359.4 MPa、215.3 MPa和33.6%。并與其他文獻(xiàn)報(bào)道的不同條件下制備的鋁鎂合金進(jìn)行了比較，Al-6Mg-0.8Mn-0.2Sc合金具有良好的強(qiáng)度和塑性組合。

圖3 TEM圖像顯示擠壓合金的變形行為

擠壓合金的晶界處分布著一些納米級(jí)Al6Mn相，納米級(jí)Al6Mn相和Al3Sc彌散相在晶界上的釘扎作用對(duì)晶粒長(zhǎng)大起著顯著的抑制作用，導(dǎo)致晶粒尺寸減小。因此，Al-6Mg-0.8Mn-0.2Sc合金的再結(jié)晶晶粒和/或亞晶粒尺寸均小于未添加Sc的合金，晶界強(qiáng)化和位錯(cuò)強(qiáng)化在強(qiáng)度增強(qiáng)中起主導(dǎo)作用。

圖4擠壓后合金的(a - d) GOS圖和(e - h)反極圖

擠壓態(tài)Al-6Mg-0.8Mn-0.2Sc合金的組織由雙峰晶轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆虻拇执笤俳Y(jié)晶晶粒。納米Al6Mn相和Al3Sc彌散相的存在，由于齊納釘扎力的增加，有效地釘住了移動(dòng)位錯(cuò)，從而阻礙了晶界遷移，延緩了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生。

圖5(a)擠壓合金的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線和(b)加工硬化速率與真應(yīng)變的關(guān)系。

添加0.4 wt%和0.8 wt%的Mn可以提高加工硬化速率。這可能與晶粒和Al6Mn相的細(xì)化有關(guān)，Al6Mn相對(duì)位錯(cuò)有釘扎作用，增強(qiáng)了強(qiáng)度。納米Al3Sc彌散相體阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致加工硬化速率增加。同時(shí)，Al3Sc彌散相/Al6Mn相與基體之間的不協(xié)調(diào)變形有助于提高加工硬化速率。擠壓成形Al-6Mg-0.8Mn-0.2Sc合金伸長(zhǎng)率低主要有兩個(gè)原因，一方面，較低的再結(jié)晶分?jǐn)?shù)導(dǎo)致合金中位錯(cuò)密度較高，降低了合金中位錯(cuò)的存儲(chǔ)能力;另一方面，由于釘扎效應(yīng)，納米Al3Sc彌散相和Al6Mn相延緩了合金的恢復(fù)和再結(jié)晶。

綜上所述，Mn和/或Sc合金化提供了固溶強(qiáng)化、晶界強(qiáng)化和第二相強(qiáng)化以提高強(qiáng)度。引入的納米Mn和Sc相對(duì)位錯(cuò)和晶界有很強(qiáng)的釘扎作用，從而產(chǎn)生位錯(cuò)強(qiáng)化效應(yīng)。其次，大的擠壓比有利于高的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力，從而導(dǎo)致高的再結(jié)晶率和塑性增強(qiáng)。Mg元素在基體中均勻分布和較大擠壓比使粗的二次相斷裂細(xì)化，進(jìn)一步提高了合金的延性。

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