上海交大：奇妙设想层状晶粒布局同时进步镁合金强度和延伸率

导读：本文通过设计层状晶粒布局改进Mg-8.0Gd-3.0Y-0.5Zr合金的机器性能。通过搅拌摩擦加工，制得了具有差别的细粒漫衍的两种层压布局。效果评释，与均质布局和双层布局相比，三层布局样品体现出优秀的强度-延伸率协同作用。力学性能的进步是因为界面数目的增添而引起的异质变形应力强化和应变硬化。这些观看效果评释界面数目在设计层压布局中的要害作用。

在追求更强韧的镁合金的推动下，人们做出了庞大的高兴来调和强度和延展性之间的辩论。的确有几种传统计谋，比方晶粒细化，工程缺陷和选择性合金化，在某种水平上办理了强度-延伸率的衡量。但是，这些实验仍旧存在一些挑衅。比方，进一步减小晶粒尺寸大概会导致逆霍尔效应或假如到达纳米标准则会导致延展性急剧降落。别的，严厉的微观布局操纵，昂贵的生产本钱和情况包袱都是扩大高性能Mg合金的难度。是以，必要格外细致其他新鲜的要领。近来，有人提出异质布局可有用促进金属的强度-延性协同作用，已在Cu，Ni ，Al，Ti等等

然而，迄今为止，在镁合金中很少研究异质布局。据作者所知，研究一向会合在优化镁合金力学性能的双峰布局上。双峰质料的布局特性是微观布局，粗晶粒随机嵌入细晶粒基质中，重要依靠于下层布局牢固的晶粒的部门再结晶，以及热加工历程中严峻变形的晶粒的完全动态再结晶。具有这种双峰布局的镁合金一向被报道具有高强度和精良的延展性。比方，通过硬板轧制生产的Mg-9Al-1Zn（wt。％）合金可得到23％的精良拉伸伸长率和371 MPa的拉伸强度。异质布局可以被以为是同时进步镁合金强度和延展性的一种有前程的要领。

层压板的布局灵感来自自然珍宝母，并已被用于定制具有堆叠层的新型合金，这些层具有显着的强度异质性。强度异质性大概来自晶粒尺寸，化学身分，晶体布局等的改变。在变形历程中，差别的组件会相互影响，然后孕育发生分外的强化和应变硬化。很多研究评释，因为差别组成层之间的协同束缚，近畴界面周边的庞大应力状态在进步金属强度而不捐躯延展性方面发挥着奇特作用。

现在，层状合金通常通过累积辊压粘合，热轧或冷轧，粉末冶金，热挤压等举行加工。但是，这些技能既费时又难以操纵。是以，必要提出其他新鲜的计谋来制备层压样品，以备未来应用和更深入的研究。

基于此，上海交通大学采纳摩擦搅拌处置惩罚（FSP）来制造Mg–8.0Gd–3.0Y-0.5 Zr（GW83K）合金的层状布局。然后体系地研究和商议了界面数目（细晶粒地区和粗晶粒地区之间）、微观构造和力学性能的干系，发觉与均质布局和双层布局相比，三层布局样品体现出优秀的强度-延伸率协同作用。相干研究效果以题“Simultaneously improving strength and ductility through laminate structure design in Mg–8.0Gd–3.0Y-0.5Zr alloys”颁发在闻名质料期刊Journal of Materials Science & Technology上。

论文链接：http://doi.org/10.1016/j.jmst.2020.08.050

图1（a）表现了截面FSP GW83K合金的光学显微构造。加工后的合金可分为几个部门：搅拌区（SZ），冠状区（CZ），过渡区（TZ）和底子质料（BM），并分别标出了它们的位置在图1（a）中。相应的维氏硬度漫衍图表现在图1（b）中。可以清晰地看到，SZ的最高硬度值为86-93 HV。在TZ中，该值低落到80-86 HV，然后到达BS中的最低值。这种硬度改变与晶粒度梯度有关。如图1所示（c–e），与BS相比，SZ的均匀晶粒尺寸明显减小，这是因为FSP时期完全动态再结晶（DRX）引起的。在TZ中，显着观看到沿TD从FG到CG的晶粒尺寸改变。

图1。（a）截面FSP GW83 K合金的光学图像。（b）相应的显微硬度演化图。（ce）SZ，TZ和BM的光学显微构造的退缩尺寸。（f）SZ，BM和TZ的（0002）平面极坐标图。PD，TD和ND分别表现板的加工偏向，横向和法线偏向。

图2（b）表现了两个层压样品的微观布局。在BS样品中观看到了沿着TD从FG到CG的微观布局演化，而TS样品由三层构成，即FG，CG和FG。测定两个样品中FG的面积分数，分别为〜70％和〜67％。图2（c）表现了BS和TS样品中晶粒尺寸的统计漫衍。可以发觉，两个样品在FG和CG区的均匀晶粒尺寸都相似，即FG区约为4μm，CG区约为70μm。总之，BS和TS样品在FG和CG地区具有相似的FG分数和相似的晶粒尺寸，仅表现出FG地区的漫衍位置差别。

图2。（a）摩擦搅拌历程的表示图以及两个层压布局样品的采样位置。（b）BS和TS样品的晶粒布局演化的光学图像。（c）BS和TS样品中细晶粒和粗晶粒的统计粒度漫衍。

图3（a）表现了BS和TS样品的工程拉伸应力-应变曲线。还包罗从独立的CG（70μm）和FG（4μm）样品得到的数据用于比力。与CG样品相比，FG样品估计会表现出更高的强度和更高的延展性，屈服强度为181 MPa时，延展性为26％。如Hall-Petch干系所示，这种强度增添可以通过晶边界制位错活动很好地解说。

图3。（a）CG，BS，FG和TS样品在室温下的工程拉伸应力-应变曲线。（b）应变硬化率对全部样品的应变曲线。（c）依据ROM猜测的强度与细颗粒的体积分数以及BS和TS样品的测得强度。（d）依据ROM猜测的匀称伸长率与细晶粒的体积分数以及BS和TS样品测得的伸长率。

从拉伸效果可以看出，TS样品的屈服强度为179 MPa，延展性为28％，比FG和BS样品具有更好的强度和延展性（图3（a））。别的，应变硬化率的比力表现出TS样品的应变硬化率最高（图4（b））。测得的拉伸性能也均高于利用ROM盘算的值，格外是对付匀称伸长率（图3）。（光盘））。这些评释增添界面的数目有利于改进HDI应力和加工硬化，然后同时进步强度和延展性。

图4。（a）FG和（b）CG样品在8％拉伸应变下的滑动转移和非滑动转移的细致特性。FG和CG样品之间的（c）滑移转移次数和（d）差别滑移轨迹频率的比力。观看和总结了150多个谷物的滑移运动。

综上所述，本文采纳FSP制备具有两种层状布局的GW83K合金样品，其特性是相似的细晶粒（FG）分数但差别的FG漫衍位置。效果评释，三层布局（TS）样品的两侧均存在FG，其YS，UTS和EL分别进步了约179 MPa，276 MPa和28％。强度和延展性的精良联合可归因于HDI应力加强和应变硬化。与双层布局（BS）样品相比，TS样品的更好的机器性能评释界面数目的增添大概导致更高的HDI应力。是以，界面的数目对付设计GW83K合金的层压布局至关紧张。