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西工大《MSEA》：微合金化調控鑄態Al-Mg-Si-Cu合金的強塑性！

2022-10-26 13:55:27 作者：材料科學與工程來源：材料科學與工程分享至：

大多數提高強度的冶金機制都會不可避免地導致塑性損失，金屬材料的強度和塑性通常是負相關的，稱為所謂的“強度-塑性權衡”困境，鋁合金也是如此。通過比較改性合金與母材的屈服強度(YS)和總斷裂應變(StF)，可以實現三種典型的強度-塑性權衡：強度略有增加，塑性明顯下降；強度適度增加，塑性相應降低；強度大大增加，塑性適度下降。然而，更好地利用二次相組合解釋強度-塑性權衡關系的研究還相當少。

為此，來自西工大的研究人員采用鑄態Al-Mg-Si-Cu合金作為基材，為了生產具有不同二次相組合的材料，分別添加了Ge和Sb。全面、系統地研究了三種典型的強度-塑性權衡性。并在此基礎上，利用第一性原理計算和多機制模型對改性合金的變形、脆化和強化機理進行了分析和討論。相關論文以題“Microalloying-modulated strength-ductility trade-offs in as-cast Al–Mg–Si–Cu alloys”發表在MSEA。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.msea.2022.143897

圖1微合金改性鑄態鋁合金強度和塑性之間相關性的數據統計:(a)強度和塑性同時增加;(b)犧牲塑性增加強度

對于同時增加強度和延展性的情況，改性合金的StF可以增加到基體合金的五倍，而改性合金的YS幾乎不能達到基礎合金的兩倍。對于強度隨著塑性損失而增加的情況，StF與YS呈線性負相關。因此，對于相同的微合金系統，較大的YS增加通常伴隨著更大的StF遞減。

圖2 合金的力學性能:(a)拉伸時的真應力-應變曲線，(b)壓縮時的工程應力-應變曲線，(c)壓縮時的真應力-應變曲線，(d)拉伸和壓縮時的YS和拉伸時的StF。

圖3 強化機理的定量估計與實驗的YS 。σp，σg，σs和σi分別表示二次相、GBs、固溶體原子和純Al的強度增量

通過上述多種強化機制模型的計算，可以得到各種機制對強度的貢獻值。預測值與實驗值之間的偏差可能來自于數據的統計偏差和多機制模型本身的有限精度。強度增加主要來自二次相強化，占總強度的72.9 ~ 81.9%。固溶強化占總強化量的6.5~8.7%。與GBs(1.8-2.5%)一樣，固溶原子對強度改性的影響可以忽略不計。仔細觀察發現，粗大的初生相對強度的影響也不大。增加粗初生相體積分數或減小粗初生相尺寸，強度增加不超過1.0 MPa。在強烈的對比中，改變細析出相形狀(類型)、粒度和比例，強度變化更為明顯。因此，典型強度-塑性權衡的M1、M2和M3合金強度的增加主要來自于改性后的細析出相。

圖4 微合金改性強度-塑性權衡示意圖

典型強度-塑性權衡改性合金的脆化是由粗初級相的尺寸和體積分數的增加決定的。然而，合金強度的增加來自于改性后細析出相。對于M0合金，片狀β相、針狀Q相和納米Si顆粒強化析出相的強化作用近似相等。由于改性合金的StF下降幾乎是相同的水平，約為42%，M1合金、M2合金和M3合金的不同強度-延性權衡應歸因于它們對細析出相的不同強化效果。

本文研究了鑄態Al-Mg-Si-Cu合金中Ge和Sb的微合金化所產生的三種典型的強度-塑性權衡行為。發現Ge和Sb的微合金化顯著提高了鑄態Al-0.8Mg-1.0Si-0.5Cu合金的強度。通過引入一種新的強度和塑性變化尺度的表示方法，實現了3種典型的強度-塑性權衡關系。微合金的強度-塑性權衡與其特殊的微觀結構密切相關，通過改變細析出相的類型、尺寸和比例來調節不同強度-塑性權衡。

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