昆明理工大學Metall. Mat. Trans. A: 梯度結構鎂合金的力學性能
【引言】
鎂及其合金具有傳熱好、電磁屏蔽和密度低等優點，因而具有廣闊的應用前景；但是其力學性能和冷加工性能較差卻嚴重限制了其實際應用。因此，Mg合金力學性能的強化成為了Mg合金領域研究的難點。近幾十年，為了提升Mg合金的強度，相繼出現了累計疊軋(ARB)、往復擠壓(CEC)、等徑角擠壓(ECAP)、高壓扭轉變形(HPT)等大塑性變形(SPD)技術，但是往往在提升強度的同時嚴重劣化了其韌性。表面機械研磨處理(SMAT)技術可以獲得具有梯度結構的合金材料，因此有望克服強度與韌性的矛盾，是近年來合金強化領域研究的熱點。
【成果簡介】
近日，昆明理工大學趙昆渝教授(通訊作者)等人在Metallurgical and Materials Transactions A發表了題為“Mechanical Properties of Gradient Structure Mg Alloy”的研究論文，報道了SMAT處理對Mg合金結構及性能的影響。該研究團隊在室溫下對AZ31B鎂合金進了SMAT處理，獲得了具有梯度結構的Mg合金，其最表層晶粒尺寸為納米級而內部仍保持較粗的晶粒，因而同時具有優異的強度和韌性。經30min SMAT處理的AZ31B樣品的屈服強度可達到249±5 MPa，均勻伸長率為9.3±0.8 pct。研究發現，梯度結構的體積分數是AZ31B鎂合金獲得最優力學性能的關鍵，一般應控制在9.3~14 pct。
【圖文導讀】
圖1：3mm厚的AZ31B樣品的光學顯微圖
(a)退火后；(b)5min SMAT；(c)15min SMAT和(d)30min SMAT。
圖2：經30min SMAT處理的樣品的照片及晶粒尺寸分布
(a)經30min SMAT處理樣品的最表層的明場像；
(b)圖(a)中紅色正方形區域的高倍TEM圖；
(c)圖(a)中的晶粒尺寸分布；
(d)圖(b)所對應的SAED(選區電子衍射)花樣。
圖3：經30min SMAT處理樣品的截面明場像
(a)和(b)分別為對應區域的SAED花樣。
圖4：AZ31B鎂合金樣品的XRD譜
圖中annealed、SMAT-5min、SMAT-15min和SMAT-30min分別為經退火和5、15、30min SMAT處理的樣品的XRD譜。
圖5：經不同處理的Mg合金樣品的硬度與距最表層深度的關系
圖中annealed、5min、15min和30min分別代表經退火(623K，5h)和SMAT(5、15和30min)處理的樣品。
圖6：經SMAT處理的AZ31B合金的應力應變曲線和加工硬化應變曲線
(a-c)分別為室溫下處理5min、15min和30min的樣品。
圖7：梯度結構(GS)層的體積分數(VF)與應力和均勻伸長率的關系
A: SMAT處理5min的2mm厚樣品；B: SMAT處理30min的3mm厚樣品；C: SMAT處理15min的2mm厚樣品；D: SMAT處理30min的2mm厚樣品；E: SMAT處理30min的1mm厚樣品。
圖8：所有樣品的應力松弛的對比和可移動位錯密度的變化
(a)應力松弛隨時間的變化；
(b)可移動位錯密度隨時間的變化。圖中annealed、SMAT-5min、SMAT-15min和SMAT-30min分別為經退火和5、15、30min SMAT處理的樣品。
圖9：拉伸試樣的斷面SEM圖
(a)AZ31B鎂合金拉伸試樣斷面的SEM圖；
(b-d)分別為所對應區域的放大SEM圖。
圖10：實驗值與文獻值的對比
圖中所選用的數據點分別為經SMAT處理30min的3mm和2mm厚樣品。
【小結】
本文通過對AZ31B鎂合金進行室溫SMAT處理獲得了具有梯度結構的鎂合金，在保持Mg合金良好韌性的同時大大提高了其強度。文章還揭示了梯度結構，特別是其體積分數對Mg合金力學性能的影響，對Mg合金的強化研究具有重要的借鑒意義，為高強Mg合金產品的開發奠定了一定基礎。
文獻鏈接：Mechanical Properties of Gradient Structure Mg Alloy (Metallurgical and Materials Transactions A, 2017, DOI: 10.1007/s 11661-017-4216-5)
本文由材料人編輯部納米學術組Roay供稿，材料牛編輯整理。
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