導讀:合金復合材料的異質結構，包括具有顯著不同的本構性質的異質域，具有顯著的潛力，以擴大材料設計系統的領域，并解決強度和韌性之間的權衡。本文介紹了一種在非熱處理Al-2.5%Mg合金中制備梯度偽沉淀異質結構（GPHS）的材料設計方法。利用低成本低碳鋼作為擴散源和保護層，這種異質結構是通過無銷摩擦攪拌輔助循環局部變形過程實現的。外源Fe原子通過摩擦攪拌誘導的熱傳導在界面擴散，在Al合金基體中形成Fe-Al第二相粒子。一個快速的相互擴散機制與密集的位錯壁，晶界和亞結構一起被激活，導致偽沉淀物的形成。這些偽析出物最終以梯度分布分散在由局部增量變形引起的Al合金基體的整個厚度中。GPHS處理的Al-2.5%Mg合金表現出強度和塑性的增強的協同作用，其中均勻延伸率從11%增加到21.2%，同時保持強度。多種強化和硬化機制，如固溶強化、位錯硬化和第二相強化，協同工作以提高機械性能。值得注意的是，硬偽析出物和軟鋁合金基體之間的異質變形引起額外的應變硬化，導致高延展性。這項工作為設計和制造具有先進異質結構的高性能合金，特別是不可熱處理的合金提供了一個新的視角。

鋁合金由于其高的比強度、優異的耐腐蝕性、減震能力、顯著的延性斷裂韌性和良好的成形性而廣泛應用于航空航天、汽車和建筑工業。盡管有這些優點，但鋁合金遭受相對強度—延展性的困境，這限制了它們的性能，特別是當與其他高強度金屬材料如先進鋼，鎳基合金和高/中熵合金相比時。冶金科學和工程界已經努力提高不可熱處理的強化Al合金（例如5xxx Al—2.5%Mg合金）的機械性能。通過各種技術制造的晶粒細化或引入外部硬增強顆粒等解決方案已被證明是有效的，特別是對于通過摩擦攪拌處理的合金或金屬基復合材料。然而，這些解決方案僅依賴于晶界強化、位錯硬化或第二相強化的機制，這通常以延展性或強度為代價。后熱處理可以恢復韌性，但強度由于熱不穩定性再次下降。因此，傳統的強度—塑性平衡對于不可熱處理的強化5xxx鋁合金仍然是一個挑戰。

為了緩解甚至克服這種困境，定制異質微觀結構，而不僅僅是細化同質微觀結構，可以提供一種實現綜合機械性能的可行方法。近幾十年來，通過各種創新途徑，包括機械性能顯著變化的異質域，異質結構材料得到了熱烈的發展。合成的異質結構（HS）可以分為結構和功能類別。在廣泛的結構HS中，具有屬性變化的空間梯度HS特別吸引人，其靈感來自生物材料的梯度結構。它們通常包括組成梯度和/或結構梯度。這些空間梯度異質結構的設計原理是基于在這些異質區的操作中的差異晶粒細化、硬沉淀物、相變、相互擴散和界面物理化學反應的潛在機制。化學不均勻性還可以導致與其同質對應物相比具有上級機械性能以及功能性。從位錯行為的角度研究了空間梯度HS的變形機制。由于軟、硬疇之間的非均勻變形響應，在疇界面內誘導幾何必要位錯（GND）以適應應變不相容。因此，這些GND會產生長程異質變形誘導（HDI）應力，即硬疇處的背應力和軟疇處的正應力。HDI應力可以通過提供額外的應變硬化能力來增加屈服強度并保持延展性。

異質結構Al合金基材料，特別是那些對應于雙峰或三峰系統的材料，由于其增強機械性能的潛力而引起了人們的關注。考慮到材料設計、制造和變形機制等方面，通過調整微觀結構并結合成分梯度，可以潛在地實現5 xxx Al合金的所需協同機械性能。將外部硬納米/微米第二相顆粒嵌入Al合金基體作為增強成分的策略可以通過摩擦攪拌處理來實現。實例包括摻雜的Fe 或Ti合金顆粒和石墨烯納米復合材料。在這些情況下，術語“假沉淀物”似乎更適合代表外源性強化資源，其不同于其基質中的內部化學成分。然而，犧牲延展性或強度仍然是基于FSP的摻雜Al合金的設計和制造途徑的限制。關于梯度復合異質結構的機械性能的研究很少，除了成分梯度300 M鋼的情況。

在本研究中，上海交通大學安大勇教授團隊聯合韓國浦項科技大學、長沙理工大學引入了一種新穎的設計理念，在不可熱處理的 Al-2.5%Mg 合金中合成可調梯度贗沉淀異質結構 (GPHS)。所設計的GPHS是通過自主開發的無銷攪拌摩擦輔助循環局部變形（FS-CLD）工藝實現的。該工藝結合了無銷攪拌摩擦加工引起的熱傳導和增量板材成形技術引起的局部壓縮拉伸變形。該策略不同于依賴隨機第二相/沉淀物或動態再結晶 (DRX) 的傳統技術。外源 Fe 元素擴散源被納入鋁合金基體中，產生梯度富鐵沉淀物。這些第二相粒子被稱為偽沉淀物，以區別于本征沉淀物。與原樣和退火狀態的 5052 鋁合金相比，GPHSed 鋁合金由于其 HDI 強化和應變硬化效應，在不影響強度的情況下實現了高延展性。這項工作對于先進結構材料、薄壁產品或集成制造的制備具有重要意義。這些發現還促進了異質微觀結構的設計和具有無與倫比的強度-延展性-輕量化性能的合金異質結構的先進制造，特別是對于不可熱處理的強化合金。

相關研究成果以“Enhanced strength-ductility synergy in a gradient pseudo-precipitates heterostructured Al-2.5%Mg alloy: Design, fabrication, and deformation mechanism”發表在Journal of Materials Science & Technology上

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1005030224002809?via%3Dihub

圖1 (a1)配置無銷FS-CLD工藝，突出嚴重塑性變形誘導快速擴散的特征（鋼層）和增量板變形（a2）示出具有第二相顆粒、部分DRX晶粒和粗晶粒的GPHS的制造的示意圖;（b）涉及四個階段的工藝的實例：UHA、FSP、LPD和DHA適用于截頭圓錐形零件。CS-樣品和TD-樣品分別表示橫截面表征樣品和拉伸變形樣品。

圖 2 無引腳 FS-CLD 工藝后的典型 GHPSed 5052

圖 3 GPHSed 鋁合金不同深度的 TEM 觀察結果：

圖4 GPHSed 5052 實現了增強的強度-延展性協同作用：

圖 8 GPHSed 5052 的微觀結構演變：(a1-a4)變形變形狀態和 KAM 分布的描述（未標記的黑色比例尺代表 40 μm）；  (b) LAGB 分數和 KAM 值在整個過程中的演變。

圖 9 鋁合金中 GPHS 各階段形成機制概述

圖 10 5052 鋁合金在 GPHSed、收到狀態和退火狀態下的拉伸變形響應

圖 11 GPHSed 5052 樣品在拉伸變形過程中的微觀結構演變。

在這項工作中，引入了一種新穎的制造策略，稱為無銷攪拌摩擦輔助循環局部變形 (FS-CLD)，用于在商用 5052 鋁合金層中制造 GPHS。  GPHSed 5052 表現出增強的強度和延展性協同作用。根據我們的發現，得出一些結論如下：

在 Fe-Al GPHS 形成過程中，假沉淀物在四個階段經歷了明顯的變化。在初始 UHA-FSP 階段，剪切應力將細小的富鐵碎片引入鋁合金基體中，作為鐵原子擴散和偽沉淀成核位點的來源。在隨后的 LPD-DHA 階段，在熱機械條件下，界面 Fe-Al 金屬間層、位錯單元和晶界激活快速原子擴散。因此，假沉淀物（即θ (Fe₄ Al₁₃) 相和η (Fe₂ Al₅) 相）在鋁合金基體中形核、生長并重新分布，并具有梯度分散特征。

與之前的研究相比，Fe-Al GPHSed 5052鋁合金表現出增強的協同力學性能，屈服強度為178 MPa，均勻伸長率為21.2%。與原樣 5052 和退火態 5052 對應物相比，更高的 HDI 強化和應變硬化效果主要增強了強度和延展性，超過了沉淀強化和位錯硬化的次要貢獻。  GPHS 中的 HDI 效應源于基體和贗析出物中軟/硬域的邊界相互作用，這促進了拉伸應變期間累積位錯的能力，導致 GND 堆積和重新分布。

目前的工作可以為通過部署 GPHS 實現不可熱處理強化金屬材料的卓越機械性能提供新的見解。這種制造策略對于通過局部調整變形微觀結構來制造工程應用的復雜薄壁零件也很有效。可以使用改進的雙面無針 FS-CLD 工藝、進行進一步的研究，在 5052 鋁合金層的兩側制造 GPHS，該工藝具有獲得更高加工硬化能力并提高強度的潛力。