镁合金顶刊：具有优异强度-延展性协同效应的梯度异质组织镁合金！

2021-12-16 17:03:42 作者：材料学网来源：材料学网分享至：

导读：包括镁合金在内的大多数金属长期以来都面临着强度-塑性权衡的困境，这阻碍了它们的广泛应用。在这项研究中，我们提出了一种梯度非均匀晶粒（GHG）结构，以避免这种折中困境和超声严重表面尝试在ZE41镁合金中轧制来构建这种新型结构。这里，温室气体结构结合了梯度结构的优点和不均匀的晶粒结构，并引入较大的微观结构不均匀性。与粗晶粒和非均匀晶粒相比结构合金，GHG结构合金在强度、延展性和应变硬化能力方面表现出显著增强。据我们所知，在塑性不降低的情况下，其强度远高于普通ZE41镁合金。这些都是独一无二的机械性能不仅来源于非均质结构成分（包括细/超细颗粒）的单独贡献晶粒和变形粗晶，以及通过异质变形产生的强化和硬化效应的协同效应。总之，本研究为开发高强度、高韧性的新型镁合金提供了一条可行的途径。

众所周知，强度和延展性是相互关联的，几乎在所有金属和合金中都是排他性的，这导致了长期存在的强度-延性权衡困境。这在镁及其合金中，权衡困境更为突出，由于其绝对强度低，且室温下延展性差。这已成为镁合金广泛应用的一个关键缺陷，成为潜在的发展趋势。晶粒细化是一种有效且广泛的方法，用于强化金属的方法，其结果是纳米金属材料的快速发展。

本研究采用铸态商用ZE41镁合金。铸锭被加工成尺寸为50mm×25mm×4mm。床单在高温下预热350°C加热10分钟，然后轧制至3 mm厚，每道次减少0.25 mm，然后轧制至2 mm每层厚度减少0.125 mm。样本在上一次轧制后，在350°C下重新加热3分钟通过在试验过程中，辊子保持100°C的恒定温度处理。在处理之前对板材进行机械研磨，以去除氧化层和获得光滑的表面。图1给出了示意图加工路线的定义。

初始铸态合金呈现粗晶结构，平均尺寸约为89 μm，如图3a所示。b.共晶t相（Mg7Zn3RE）也存在于微观结构，表现为网状结构。TEM图像显示为非均匀晶粒（HG）。如图4所示。

图5和图6为TEM横断面图像USSR的合金。微观结构表现为elon门控UFGs混合了细小的双片层，如图所示，图6所示。在50 μm的深度范围内，一些等轴UFGs也存在。可见，其大小比最上面的略大表层。晶粒尺寸和长径比UFGs随着深度的增加逐渐增加。

图7为USSR合金的TEM图像靠近未经处理的表面的层。高密度的位错和细长晶粒是该组织的特征。含有高密度位错的双Lamel也很常见。这一观察表明，这一层未经处理的地表附近仍发生严重的塑性变形，形成变形的HG结构。

图8为USSR的横截面扫描电镜图像合金。

图9显示了表面轮廓的演变。铸态合金采用400砂纸进行研磨，并因此用表面粗糙度表示一个粗糙的表面。滚压后，表面粗糙度de降低到0.078 μm。

3.2 机械性能

图10a给出了来自USSR处理的表面的GHG结构硬质合金（即USSR合金）的硬度轮廓。随着硬度的增加，硬度近似下降深度范围为0 μm ~ 900 μm。图10b为所研究的合金的拉伸应力-应变曲线，并收集力学性能。

在表2中。GHG组织合金在所有合金中均表现出极大的强度和延性，具有优异的强度-延性协同作用。

4、讨论

4.1 机制超高强度和良好的延展性

观察到GHG结构ZE41镁合金（即苏联合金）具有超高的强度和良好的韧性，这可以归因于它独特的结构。该层的UFGs具有很高的硬度和强度。通过晶粒细化强化作用，可以达到强化效果，由显微硬度图（图10a）证实。

GHG结构合金的延性优于CG和HG结构合金，其原因在于几个方面。首先是HDI硬化和位错硬化。由GHG结构引起的异形变产生额外GNDs和内部应变硬化。渐变UFG图层和变形的汞层在温室气体结构中可以有效地发挥作用产生HDI硬化和位错硬化。从而介绍了高应变硬化能力和良好的延展性。

二是梯度结构的延性好，温室气体结构中的梯度结构层可以在单轴加载条件下诱导多轴应力状态，促进新的滑移系统的激活和分散的位置积累[85]，提供额外的应变难以保持良好的延性。

4.2 温室气体结构的形成机制

如图11a, b, d, e。I1 SF的ABABACAC堆积序列显示，而I2 SF的堆积顺序为ABABCACA显示两个连续的FCC层。保险丝证明了他们对塑料的重大贡献变形。也发现了几对来自gb的双胞胎并且经常与错位相互作用。

随着对USSR处理表面冲击次数的增加，晶粒尺寸不断减小，从而变形孪晶变得越来越硬。Non-basal为了调节c轴应变，必须激活滑移。对于Mg合金，其临界分辨剪应力（CRSS）为非基面滑移显著高于基面滑移，以及室温下扩展孪晶。

然而，非基础滑移的激活在细粒或UFG Mg中频繁报道显著提高合金的延性。在本研究中，罕见的变形双胞胎在UFG区域（图5和图6）暗示非基底细胞的活化滑动。MD仿真进一步证明了这一点，滑移可以激活在NC Mg期间的高速影响加工。因此，基面滑移和非基面滑移成为今后塑性变形的主要形式细化。

5、结论

在本研究中，提出了一种策略，以发展一种新镁合金的温室气体结构通过组合滚动。温室气体结构是由厚梯度UFG层（厚度约900 μm）和de形成HG层。晶粒尺寸从几百纳米到几十微米，跨度为几个数量级。GHG结构的ZE41镁合金呈现同步与CG和HG相比提高了强度和延性结构化的。这种改善不仅源于非均质结构组分的单独贡献，包括细/超细晶粒和变形粗晶粒，而且它们通过HDI增强和HDI硬化效应的协同作用。此外，我们的处理方法与滚动和苏联可用于制备其他合金中的GHG结构很容易按比例放大生产。

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