Metall. Mater. Trans. A: 一種獲得Al-Mg-Si系超細晶鋁合金的新方法

【引言】

超細晶粒(UFG)結構材料由于其有著優良的抗疲勞性能、良好的焊接性、較高的強度以及良好的低溫韌性等優點，其在加工領域得到了廣泛的應用。金屬材料為獲得超細晶粒，常常采用強塑性變形(SPD)的方式，使得晶粒細化。等徑角擠壓(ECAP)是最為普遍的強塑性變形方法，可以使金屬材料及其合金的晶粒有效地細化。然而極低的生產率是其一大弊端。近日，有學者首次通過增量等徑角擠壓法(I-ECAP)將Al-Mg-Si合金制成UFG板，并研究其結構演變過程。

【成果簡介】

近日，華沙理工大學Marta?Lipinska在Metall. Mater. Trans. A上發布了一篇關于超細晶粒鋁合金的文章，題為“Ultrafine-Grained?Plates of Al-Mg-Si Alloy Obtained by Incremental Equal Channel Angular Pressing: Microstructure and Mechanical Properties”。作者通過增量等徑角擠壓法(I-ECAP)將鋁合金制成超細晶粒薄板，以獲得具有低力學性能各向異性的均勻超細晶粒板，此外還對晶粒細化機理進行了較為深入的探究。研究結果表明， I-ECAP方法可以有效地改進鋁合金的微觀結構，降低其平均晶粒尺寸；與傳統SPD方法制成的UFG板相比，具有更低的力學性能各向異性。

【圖片導讀】

圖1： I-ECAP工具

1-裝模 2-固定用模 3-沖頭 4-推進器 5-壓板

工作區域如圖1所示，其特點在于xyz右旋坐標系，這個坐標系與ECAP加工部件的特征平面相聯系，即X軸表示橫截面(背面)，Y軸表示縱界面(側面)，Z軸表示平面(頂面)。

圖2：連續四次增量等徑角擠壓過程中，方板剪切面的位置

方板在相同方向上饒Z軸旋轉90度，擠壓路徑導致剪切面位置改變。

圖3：初始樣品EBSD取向圖

大角晶界(HAGB)以黑色突出顯示，但不太明顯，灰色邊界是小角晶界(LAGB)。從X和Y平面可以觀察到，初始樣品具有近等軸粗晶粒。

圖4：樣品經一次和四次擠壓后X、Y和Z平面的取向圖

第一次施加應力后，在X平面上，內部結構分成粗晶粒和LAGB結構；Y平面上則是經ECAP加工后的典型特征結構，晶粒細長并相對于剪切方向傾斜。經四次I-ECPA加工過后，晶粒進一步細化。晶粒更加等軸同時可以與不同的平面相比較。

圖5：每個平面對應的取向角分布

黑色標記的初始樣品表現出接近Mackenzie圖的取向角分布，在該樣品中存在高比例的HAGB。灰色條是經一次加工后的式樣，大部分晶界為小角度型。而經四次加工后的式樣，晶界已具有高于15度的取向角，但大部分仍為LAGB結構。

圖6：縱向橫向的應力-應變曲線

I-ECAP工藝顯著提高了材料的機械強度，此外，經過四次加工的樣品比經過一次加工的樣品具有更高的伸長率。

圖7：樣品顯微硬度

經四次加工后的樣品其硬度值明顯高過一次加工的樣品。

圖8：樣品經一次I-ECAP后的TEM圖

(a) X平面的微觀結構；

(b) Y平面的微觀結構；

(c) Z平面的微觀結構。

圖9：樣品經四次I-ECAP后的TEM圖

(a) X平面的微觀結構；
(b) Y平面的微觀結構；
(c) Z平面的微觀結構。
與一次加工相比，四次加工后晶粒更加細化，呈細長狀。

【小結】

這篇文章揭示了I-ECAP法可以有效地改進Al-Mg-Si系合金的微觀結構，生產出的UFG鋁合金板在厚度上更具有均勻性，同時其強度和延展性更為優良。此外，研究還表明Al-Mg-Si合金晶粒細化機理明顯不同于純鋁，這可歸因于合金中較低的堆垛層錯能和位錯遷移率。

文獻鏈接：Ultrafine-Grained Plates of Al-Mg-Si Alloy Obtained by Incremental Equal Channel Angular Pressing: Microstructure and Mechanical Properties（Metall. Mater. Trans. A, July 31, 2017, DOI: 10.1007/s11661-017-4258-8）

本文由材料人編輯部新人組金晨編譯，陳炳旭審核，點我加入材料人編輯部。

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