上海交大：巧妙设计层状晶粒结构同时提高镁合金强度和延伸率！

导读：本文通过设计层状晶粒结构改善Mg-8.0Gd-3.0Y-0.5Zr合金的机械性能。通过搅拌摩擦加工，制得了具有不同的细粒分布的两种层压结构。结果表明，与均质结构和双层结构相比，三层结构样品表现出优异的强度-延伸率协同作用。力学性能的提高是由于界面数量的增加而引起的异质变形应力强化和应变硬化。这些观察结果表明界面数量在设计层压结构中的关键作用。

在寻求更强韧的镁合金的推动下，人们做出了巨大的努力来调和强度和延展性之间的冲突。确实有几种传统策略，例如晶粒细化，工程缺陷和选择性合金化，在某种程度上解决了强度-延伸率的权衡。但是，这些尝试仍然存在一些挑战。例如，进一步减小晶粒尺寸可能会导致逆霍尔效应或如果达到纳米尺度则会导致延展性急剧下降。此外，严格的微观结构控制，昂贵的生产成本和环境负担都是扩大高性能Mg合金的难度。因此，需要特别注意其他新颖的方法。最近，有人提出异质结构可有效促进金属的强度-延性协同作用，已在Cu，Ni ，Al，Ti等等

然而，迄今为止，在镁合金中很少研究异质结构。据作者所知，研究一直集中在优化镁合金力学性能的双峰结构上。双峰材料的结构特征是微观结构，粗晶粒随机嵌入细晶粒基质中，主要依赖于基层结构坚固的晶粒的部分再结晶，以及热加工过程中严重变形的晶粒的完全动态再结晶。具有这种双峰结构的镁合金一直被报道具有高强度和良好的延展性。例如，通过硬板轧制生产的Mg-9Al-1Zn（wt。％）合金可获得23％的良好拉伸伸长率和371 MPa的拉伸强度。异质结构可以被认为是同时提高镁合金强度和延展性的一种有前途的方法。

层压板的结构灵感来自天然珍珠母，并已被用于定制具有堆叠层的新型合金，这些层具有明显的强度异质性。强度异质性可能来自晶粒尺寸，化学成分，晶体结构等的变化。在变形过程中，不同的组件会相互影响，然后产生额外的强化和应变硬化。许多研究表明，由于不同构成层之间的协同约束，近畴界面附近的复杂应力状态在提高金属强度而不牺牲延展性方面发挥着独特作用。

如今，层状合金通常通过累积辊压粘合，热轧或冷轧，粉末冶金，热挤压等进行加工。但是，这些技术既费时又难以控制。因此，需要提出其他新颖的策略来制备层压样品，以备将来应用和更深入的研究。

基于此，上海交通大学采用摩擦搅拌处理（FSP）来制造Mg–8.0Gd–3.0Y-0.5 Zr（GW83K）合金的层状结构。然后系统地研究和讨论了界面数量（细晶粒区域和粗晶粒区域之间）、微观组织和力学性能的关系，发现与均质结构和双层结构相比，三层结构样品表现出优异的强度-延伸率协同作用。相关研究结果以题“Simultaneously improving strength and ductility through laminate structure design in Mg–8.0Gd–3.0Y-0.5Zr alloys”发表在著名材料期刊Journal of Materials Science & Technology上。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2020.08.050

图1（a）显示了截面FSP GW83K合金的光学显微组织。加工后的合金可分为几个部分：搅拌区（SZ），冠状区（CZ），过渡区（TZ）和基础材料（BM），并分别标出了它们的位置在图1（a）中。相应的维氏硬度分布图显示在图1（b）中。可以清楚地看到，SZ的最高硬度值为86-93 HV。在TZ中，该值降低到80-86 HV，然后达到BS中的最低值。这种硬度变化与晶粒度梯度有关。如图1所示（c–e），与BS相比，SZ的平均晶粒尺寸显着减小，这是由于FSP期间完全动态再结晶（DRX）引起的。在TZ中，明显观察到沿TD从FG到CG的晶粒尺寸变化。

图1。（a）截面FSP GW83 K合金的光学图像。（b）相应的显微硬度演变图。（ce）SZ，TZ和BM的光学显微组织的退缩尺寸。（f）SZ，BM和TZ的（0002）平面极坐标图。PD，TD和ND分别表示板的加工方向，横向和法线方向。

图2（b）显示了两个层压样品的微观结构。在BS样品中观察到了沿着TD从FG到CG的微观结构演变，而TS样品由三层组成，即FG，CG和FG。测定两个样品中FG的面积分数，分别为70％和67％。图2（c）显示了BS和TS样品中晶粒尺寸的统计分布。可以发现，两个样品在FG和CG区的平均晶粒尺寸都相似，即FG区约为4μm，CG区约为70μm。总之，BS和TS样品在FG和CG区域具有相似的FG分数和相似的晶粒尺寸，仅显示出FG区域的分布位置不同。

图2。（a）摩擦搅拌过程的示意图以及两个层压结构样品的采样位置。（b）BS和TS样品的晶粒结构演变的光学图像。（c）BS和TS样品中细晶粒和粗晶粒的统计粒度分布。

图3（a）显示了BS和TS样品的工程拉伸应力-应变曲线。还包括从独立的CG（70μm）和FG（4μm）样品获得的数据用于比较。与CG样品相比，FG样品预计会显示出更高的强度和更高的延展性，屈服强度为181 MPa时，延展性为26％。如Hall-Petch关系所示，这种强度增加可以通过晶界限制位错运动很好地解释。

图3。（a）CG，BS，FG和TS样品在室温下的工程拉伸应力-应变曲线。（b）应变硬化率对所有样品的应变曲线。（c）根据ROM预测的强度与细颗粒的体积分数以及BS和TS样品的测得强度。（d）根据ROM预测的均匀伸长率与细晶粒的体积分数以及BS和TS样品测得的伸长率。

从拉伸结果可以看出，TS样品的屈服强度为179 MPa，延展性为28％，比FG和BS样品具有更好的强度和延展性（图3（a））。此外，应变硬化率的比较显示出TS样品的应变硬化率最高（图4（b））。测得的拉伸性能也均高于使用ROM计算的值，特别是对于均匀伸长率（图3）。（光盘））。这些表明增加界面的数量有利于改善HDI应力和加工硬化，然后同时提高强度和延展性。

图4。（a）FG和（b）CG样品在8％拉伸应变下的滑动转移和非滑动转移的详细特性。FG和CG样品之间的（c）滑移转移次数和（d）不同滑移轨迹频率的比较。观察和总结了150多个谷物的滑移活动。

综上所述，本文采用FSP制备具有两种层状结构的GW83K合金样品，其特征是相似的细晶粒（FG）分数但不同的FG分布位置。结果表明，三层结构（TS）样品的两侧均存在FG，其YS，UTS和EL分别提高了约179 MPa，276 MPa和28％。强度和延展性的良好结合可归因于HDI应力增强和应变硬化。与双层结构（BS）样品相比，TS样品的更好的机械性能表明界面数量的增加可能导致更高的HDI应力。因此，界面的数量对于设计GW83K合金的层压结构至关重要。