鋁（Al）合金的廣泛使用對于實現汽車應用中的輕量化設計非常重要。5xxx系列合金因其良好的性能而被廣泛應用于汽車內車身。然而，它們在外部車身的應用是有限的，其中優選是可熱處理的6xxx系列合金。這種偏好的主要原因是5xxx系列合金無法形成顯著強化所需的均勻分布的析出相，導致強度低于6xxx系列。此外，5xxx系列合金在加工過程中容易形成Portevin-Le Chatelier（PLC）帶，這會降低板材產品的表面光潔度。由于成分和性能不同，5xxx和6xxx系列合金的混合使用給報廢汽車時廢鋁的回收再利用過程提出了重大挑戰。

基于上述5xxx系鋁合金在汽車車身應用上所面臨的難題，東南大學材料科學與工程學院孫文文教授團隊利用2019年發表在《Science》期刊上的室溫循環強化的新加工工藝對5xxx系鋁合金中常用的AA5083合金進行處理，之前的研究發現該循環強化（CS）工藝能顯著提高5xxx系鋁合金的敏化抗性和腐蝕性能，相關研究發表在《Corrosion Science》。而本研究對AA5083合金循環不同圈數后在不同應變速率下進行拉伸，發現該新工藝在提高合金強度的同時，對5xxx系普遍關注的PLC效應也有很明顯的抑制效果。論文以題為“A novel method simultaneously eliminating Portevin-Le Chatelier effect and enhancing strength in non-heat-treatable Al-Mg alloys”發表在《Scripta Materialia》上。東南大學孫文文教授為本文的通訊作者，東南大學材料科學與工程學院博士生張勇為論文的第一作者。

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https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2024.116320

圖1. AA5083合金經歷0次（WQ）、600次和1000次CS處理后不同應變率下的工程應力-應變曲線：（a）1×10^-2s^-1，（b）1.3×10^-3s^-1，（c）5×10^-4s^-1，（d）1×10^-4s^-1。

圖2. 經歷1000次CS處理后，WQ和CS樣品的微觀結構。（a） WQ樣品的EBSD圖，（b，c）WQ樣品的TEM明場像（插圖：相應的選定區域電子衍射圖顯示沒有溶質團簇存在），（d）CS1000樣品的EBSD圖，（e，f）CS1000樣品的TEM明場像。（插圖：HAADF-STEM圖像顯示溶質團簇形成，電子束平行于<001>Al）

圖3. 原子探針重構顯示了（a）CS600和（b）CS1000樣品中的Mg-Al團簇，（c）數量密度和（d）CS600與CS1000樣品的平均團簇組成，圖3c中的插圖表示CS1000與CS600之間數量密度的差異

表1 AA5083循環處理600和1000次后團簇的APT統計結果

圖4. 不同應變率下臨界應變和鋸齒振幅隨循環次數的變化：（a）1×10^-2s^-1，（b）1.3×10^-3s^-1，（c）5×10^-4s^-1，（d）1×10^-4s^-1。臨界應變是指應力-應變曲線上PLC效應首次出現時對應的應變值，而應力振幅表示曲線上所有鋸齒跌幅的平均值。圖4d中CS1000樣品缺少數據是由于曲線上PLC效應完全被消除

這項工作的創新點在于，將循環塑性變形應用于AA5083鋁合金，在基體中形成高密度的富鎂溶質團簇以及位錯環，通過APT表征證明了團簇的形成消耗了固溶體中自由Mg原子數量，而Mg原子的存在是Al-Mg合金PLC效應發生的重要原因。通過對PLC效應時域方面的研究，表現為在各種測試應變率下臨界應變升高和應力振幅減小，PLC效應被顯著抑制甚至是完全消除。因此，循環塑性變形工藝不僅將AA5083合金的強度提高到與可熱處理的6xxx系列合金相當的水平，而且減輕了5xxx鋁合金普遍存在的PLC效應，這一直是5xxx系列合金在汽車外板使用方面的一個重要問題。考慮到汽車制造中與回收混合合金部件相關的挑戰，該研究強調了這種方法的潛在環境效益。通過循環強化處理提高5xxx系列合金的性能，使其與6xxx系列的性能緊密匹配，可以減少材料分離的需要，從而簡化回收過程，支持汽車生產的可持續性。