铝（Al）合金的广泛使用对于实现汽车应用中的轻量化设计非常重要。5xxx系列合金因其良好的性能而被广泛应用于汽车内车身。然而，它们在外部车身的应用是有限的，其中优选是可热处理的6xxx系列合金。这种偏好的主要原因是5xxx系列合金无法形成显著强化所需的均匀分布的析出相，导致强度低于6xxx系列。此外，5xxx系列合金在加工过程中容易形成Portevin-Le Chatelier（PLC）带，这会降低板材产品的表面光洁度。由于成分和性能不同，5xxx和6xxx系列合金的混合使用给报废汽车时废铝的回收再利用过程提出了重大挑战。

基于上述5xxx系铝合金在汽车车身应用上所面临的难题，东南大学材料科学与工程学院孙文文教授团队利用2019年发表在《Science》期刊上的室温循环强化的新加工工艺对5xxx系铝合金中常用的AA5083合金进行处理，之前的研究发现该循环强化（CS）工艺能显著提高5xxx系铝合金的敏化抗性和腐蚀性能，相关研究发表在《Corrosion Science》。而本研究对AA5083合金循环不同圈数后在不同应变速率下进行拉伸，发现该新工艺在提高合金强度的同时，对5xxx系普遍关注的PLC效应也有很明显的抑制效果。论文以题为“A novel method simultaneously eliminating Portevin-Le Chatelier effect and enhancing strength in non-heat-treatable Al-Mg alloys”发表在《Scripta Materialia》上。东南大学孙文文教授为本文的通讯作者，东南大学材料科学与工程学院博士生张勇为论文的第一作者。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2024.116320

图1. AA5083合金经历0次（WQ）、600次和1000次CS处理后不同应变率下的工程应力-应变曲线：（a）1×10^-2s^-1，（b）1.3×10^-3s^-1，（c）5×10^-4s^-1，（d）1×10^-4s^-1。

图2. 经历1000次CS处理后，WQ和CS样品的微观结构。（a） WQ样品的EBSD图，（b，c）WQ样品的TEM明场像（插图：相应的选定区域电子衍射图显示没有溶质团簇存在），（d）CS1000样品的EBSD图，（e，f）CS1000样品的TEM明场像。（插图：HAADF-STEM图像显示溶质团簇形成，电子束平行于<001>Al）

图3. 原子探针重构显示了（a）CS600和（b）CS1000样品中的Mg-Al团簇，（c）数量密度和（d）CS600与CS1000样品的平均团簇组成，图3c中的插图表示CS1000与CS600之间数量密度的差异

表1 AA5083循环处理600和1000次后团簇的APT统计结果

图4. 不同应变率下临界应变和锯齿振幅随循环次数的变化：（a）1×10^-2s^-1，（b）1.3×10^-3s^-1，（c）5×10^-4s^-1，（d）1×10^-4s^-1。临界应变是指应力-应变曲线上PLC效应首次出现时对应的应变值，而应力振幅表示曲线上所有锯齿跌幅的平均值。图4d中CS1000样品缺少数据是由于曲线上PLC效应完全被消除

这项工作的创新点在于，将循环塑性变形应用于AA5083铝合金，在基体中形成高密度的富镁溶质团簇以及位错环，通过APT表征证明了团簇的形成消耗了固溶体中自由Mg原子数量，而Mg原子的存在是Al-Mg合金PLC效应发生的重要原因。通过对PLC效应时域方面的研究，表现为在各种测试应变率下临界应变升高和应力振幅减小，PLC效应被显著抑制甚至是完全消除。因此，循环塑性变形工艺不仅将AA5083合金的强度提高到与可热处理的6xxx系列合金相当的水平，而且减轻了5xxx铝合金普遍存在的PLC效应，这一直是5xxx系列合金在汽车外板使用方面的一个重要问题。考虑到汽车制造中与回收混合合金部件相关的挑战，该研究强调了这种方法的潜在环境效益。通过循环强化处理提高5xxx系列合金的性能，使其与6xxx系列的性能紧密匹配，可以减少材料分离的需要，从而简化回收过程，支持汽车生产的可持续性。