鋁（Al）合金的廣泛使用對于實現(xiàn)汽車應(yīng)用中的輕量化設(shè)計非常重要。5xxx系列合金因其良好的性能而被廣泛應(yīng)用于汽車內(nèi)車身。然而，它們在外部車身的應(yīng)用是有限的，其中優(yōu)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(dǎo)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(chǎn)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(zhàn)。

基于上述5xxx系鋁合金在汽車車身應(yīng)用上所面臨的難題，東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院孫文文教授團隊利用2019年發(fā)表在《Science》期刊上的室溫循環(huán)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(fā)現(xiàn)該循環(huán)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(guān)研究發(fā)表在《Corrosion Science》。而本研究對AA5083合金循環(huán)不同圈數(shù)后在不同應(yīng)變速率下進行拉伸，發(fā)現(xiàn)該新工藝在提高合金強度的同時，對5xxx系普遍關(guān)注的PLC效應(yīng)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(fā)表在《Scripta Materialia》上。東南大學(xué)孫文文教授為本文的通訊作者，東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)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(jīng)歷0次（WQ）、600次和1000次CS處理后不同應(yīng)變率下的工程應(yīng)力-應(yīng)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(jīng)歷1000次CS處理后，WQ和CS樣品的微觀結(jié)構(gòu)。（a） WQ樣品的EBSD圖，（b，c）WQ樣品的TEM明場像（插圖：相應(yīng)的選定區(qū)域電子衍射圖顯示沒有溶質(zhì)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(zhì)團簇形成，電子束平行于<001>Al）

圖3. 原子探針重構(gòu)顯示了（a）CS600和（b）CS1000樣品中的Mg-Al團簇，（c）數(shù)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(shù)量密度的差異

表1 AA5083循環(huán)處理600和1000次后團簇的APT統(tǒng)計結(jié)果

圖4. 不同應(yīng)變率下臨界應(yīng)變和鋸齒振幅隨循環(huán)次數(shù)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(yīng)變是指應(yīng)力-應(yīng)變曲線上PLC效應(yīng)首次出現(xiàn)時對應(yīng)的應(yīng)變值，而應(yīng)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(shù)據(jù)是由于曲線上PLC效應(yīng)完全被消除

這項工作的創(chuàng)新點在于，將循環(huán)塑性變形應(yīng)用于AA5083鋁合金，在基體中形成高密度的富鎂溶質(zhì)團簇以及位錯環(huán)，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(shù)量，而Mg原子的存在是Al-Mg合金PLC效應(yīng)發(fā)生的重要原因。通過對PLC效應(yīng)時域方面的研究，表現(xiàn)為在各種測試應(yīng)變率下臨界應(yīng)變升高和應(yīng)力振幅減小，PLC效應(yīng)被顯著抑制甚至是完全消除。因此，循環(huán)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(dāng)?shù)乃?，而且減輕了5xxx鋁合金普遍存在的PLC效應(yīng)，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?？紤]到汽車制造中與回收混合合金部件相關(guān)的挑戰(zhàn)，該研究強調(diào)了這種方法的潛在環(huán)境效益。通過循環(huán)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(chǎn)的可持續(xù)性。