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東大&大連交大《MD》：成分誘導鋁鎂合金的組織性能及強化機制！

2022-08-15 15:44:31 作者：材料科學與工程來源：材料科學與工程分享至：

鋁鎂合金具有比強度高、耐腐蝕性好、焊接性好等優點，廣泛應用于航空航天、高速列車、航海等領域。為了獲得優異的力學性能，擴大鋁鎂合金的應用范圍，有必要通過一定的強化方式來調整鋁鎂合金的強度和塑性。Mn、Zn、Cr和稀土(RE)元素合金化是Al-Mg合金晶粒細化和力學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晶溫度。此外，添加Mn或Sc元素形成的二次相對Al-Mg合金的變形行為起著重要的決定作用。在變形過程中，小尺寸的Al6Mn相和納米級的Al3Sc彌散相抑制了晶粒的粗化。

東北大學&大連交大&山東理工等單位的研究團隊基于成分設計的理念，研究了添加Mn和/或Sc元素的Al-Mg合金的組織演變和力學性能，提出Al-Mg-Mn-Sc具有很大的改善力學性能的潛力。相關論文以題為“Microstructure evolution, mechanical property response and strengthening mechanism induced by compositional effects in Al–6 Mg alloys”發表在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

通過對比擠壓前后的顯微組織發現，在Al-6Mg-0.8Mn-0.2Sc合金中，觀察到的長條狀白色相細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相的數量減少，呈菱形或板狀。Sc元素的加入導致晶粒細化，促進了Al6Mn相的析出。經熱擠壓后，Al-6Mg-0.8Mn-0.2Sc合金中納米Al6Mn相數量減少；Al6Mn相的形貌轉變為菱形/板形，平均長度從500 nm左右減少到50~150 nm。

圖2 a)擠壓合金工程應力-應變曲線;(b) Al-Mg合金的UTS和塑性對比

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

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Al6Mn相，納米級Al6Mn相和Al3Sc彌散相在晶界上的釘扎作用對晶粒長大起著顯著的抑制作用，導致晶粒尺寸減小。因此，Al-6Mg-0.8Mn-0.2Sc合金的再結晶晶粒和/或亞晶粒尺寸均小于未添加Sc的合金，晶界強化和位錯強化在強度增強中起主導作用。

圖4擠壓后合金的(a - d) GOS圖和(e - h)反極圖

擠壓態Al-6Mg-0.8Mn-0.2Sc合金的組織由雙峰晶轉變為均勻的粗大再結晶晶粒。納米Al6Mn相和Al3Sc彌散相的存在，由于齊納釘扎力的增加，有效地釘住了移動位錯，從而阻礙了晶界遷移，延緩了動態再結晶的發生。

圖5(a)擠壓合金的真應力-應變曲線和(b)加工硬化速率與真應變的關系。

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相的細化有關，Al6Mn相對位錯有釘扎作用，增強了強度。納米Al3Sc彌散相體阻礙了位錯的運動，導致加工硬化速率增加。同時，Al3Sc彌散相/Al6Mn相與基體之間的不協調變形有助于提高加工硬化速率。擠壓成形Al-6Mg-0.8Mn-0.2Sc合金伸長率低主要有兩個原因，一方面，較低的再結晶分數導致合金中位錯密度較高，降低了合金中位錯的存儲能力;另一方面，由于釘扎效應，納米Al3Sc彌散相和Al6Mn相延緩了合金的恢復和再結晶。

綜上所述，Mn和/或Sc合金化提供了固溶強化、晶界強化和第二相強化以提高強度。引入的納米Mn和Sc相對位錯和晶界有很強的釘扎作用，從而產生位錯強化效應。其次，大的擠壓比有利于高的動態再結晶驅動力，從而導致高的再結晶率和塑性增強。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化，進一步提高了合金的延性。

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