东大&大连交大《MD》：成分诱导铝镁合金的组织性能及强化机制！

编辑推荐：基于成分设计思想，研究了添加Mn和/或Sc元素的Al-6Mg合金的组织演变和力学性能，通过热挤压变形获得强塑匹配的Al-6Mg-0.8Mn(-0.2Sc)合金。研究发现发现Sc元素的加入使Al-6Mg-0.8Mn-0.2Sc合金的晶粒细化，促进了纳米Al6Mn相的析出;热挤压后，纳米Al6Mn相数量随着形貌的转变而减少。纳米Al6Mn相和Al3Sc弥散相相的共同作用对晶界和位错产生强烈的钉扎作用，导致再结晶晶粒显著细化。强化机理分析结果显示，晶界强化和位错强化在提高合金屈服强度中起着重要作用。本研究为制备高性能铝镁合金的提供了一种可靠的方法。

铝镁合金具有比强度高、耐腐蚀性好、焊接性好等优点，广泛应用于航空航天、高速列车、航海等领域。为了获得优异的力学性能，扩大铝镁合金的应用范围，有必要通过一定的强化方式来调整铝镁合金的强度和塑性。Mn、Zn、Cr和稀土(RE)元素合金化是Al-Mg合金晶粒细化和力学性能提高的主要措施。其中，Mn与Sc元素是很有前景的合金化元素，Mn和Sc元素的加入导致二次相的形成，如Al6Mn和Al3Sc相。这有助于提高Al-Mg合的可焊性和提高再结晶温度。此外，添加Mn或Sc元素形成的二次相对Al-Mg合金的变形行为起着重要的决定作用。在变形过程中，小尺寸的Al6Mn相和纳米级的Al3Sc弥散相抑制了晶粒的粗化。

东北大学&大连交大&山东理工等单位的研究团队基于成分设计的理念，研究了添加Mn和/或Sc元素的Al-Mg合金的组织演变和力学性能，提出Al-Mg-Mn-Sc具有很大的改善力学性能的潜力。相关论文以题为“Microstructure evolution, mechanical property response and strengthening mechanism induced by compositional effects in Al–6 Mg alloys”发表在Materials & Design。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.matdes.2022.110849

图1 TEM图像显示了热挤压后的显微组织演变

通过对比挤压前后的显微组织发现，在Al-6Mg-0.8Mn-0.2Sc合金中，观察到的长条状白色相细化为短棒状或块状相。更重要的是，随着Mn元素的加入，纳米Al6Mn相的数量减少，呈菱形或板状。Sc元素的加入导致晶粒细化，促进了Al6Mn相的析出。经热挤压后，Al-6Mg-0.8Mn-0.2Sc合金中纳米Al6Mn相数量减少；Al6Mn相的形貌转变为菱形/板形，平均长度从500 nm左右减少到50~150 nm。

图2 a)挤压合金工程应力-应变曲线;(b) Al-Mg合金的UTS和塑性对比

挤压后Al-6Mg-0.8Mn-0.2Sc合金的抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为359.4 MPa、215.3 MPa和33.6%。并与其他文献报道的不同条件下制备的铝镁合金进行了比较，Al-6Mg-0.8Mn-0.2Sc合金具有良好的强度和塑性组合。

图3 TEM图像显示挤压合金的变形行为

挤压合金的晶界处分布着一些纳米级Al6Mn相，纳米级Al6Mn相和Al3Sc弥散相在晶界上的钉扎作用对晶粒长大起着显著的抑制作用，导致晶粒尺寸减小。因此，Al-6Mg-0.8Mn-0.2Sc合金的再结晶晶粒和/或亚晶粒尺寸均小于未添加Sc的合金，晶界强化和位错强化在强度增强中起主导作用。

图4挤压后合金的(a - d) GOS图和(e - h)反极图

挤压态Al-6Mg-0.8Mn-0.2Sc合金的组织由双峰晶转变为均匀的粗大再结晶晶粒。纳米Al6Mn相和Al3Sc弥散相的存在，由于齐纳钉扎力的增加，有效地钉住了移动位错，从而阻碍了晶界迁移，延缓了动态再结晶的发生。

图5(a)挤压合金的真应力-应变曲线和(b)加工硬化速率与真应变的关系。

添加0.4 wt%和0.8 wt%的Mn可以提高加工硬化速率。这可能与晶粒和Al6Mn相的细化有关，Al6Mn相对位错有钉扎作用，增强了强度。纳米Al3Sc弥散相体阻碍了位错的运动，导致加工硬化速率增加。同时，Al3Sc弥散相/Al6Mn相与基体之间的不协调变形有助于提高加工硬化速率。挤压成形Al-6Mg-0.8Mn-0.2Sc合金伸长率低主要有两个原因，一方面，较低的再结晶分数导致合金中位错密度较高，降低了合金中位错的存储能力;另一方面，由于钉扎效应，纳米Al3Sc弥散相和Al6Mn相延缓了合金的恢复和再结晶。

综上所述，Mn和/或Sc合金化提供了固溶强化、晶界强化和第二相强化以提高强度。引入的纳米Mn和Sc相对位错和晶界有很强的钉扎作用，从而产生位错强化效应。其次，大的挤压比有利于高的动态再结晶驱动力，从而导致高的再结晶率和塑性增强。Mg元素在基体中均匀分布和较大挤压比使粗的二次相断裂细化，进一步提高了合金的延性。（文：晓太阳）

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