金属顶刊《ACTA》：初次发觉！新型镁合金，强度堪比低碳钢

导读：本文采纳低本钱双辊铸造工艺生产的Mg-1.3Al-0.8Zn-0.7Mn-0.5Ca(wt.%) (AZMX1110) 合金薄板在T4固溶处置惩罚条件下，室温下可成形性好。该合金在170℃处有快速时效硬化反响，导致流淌应力在20分钟内由198 MPa明显增添到238 MPa。如许的烘烤硬化性(BH)在镁合金中从未被探究过，可与现在用于制造汽车车身的低碳钢和中等强度铝合金相媲美。通过透射电子显微镜和原子探针层析成像(TEM-APT)对烘烤硬化试样的微观布局举行了表征，发觉Al、Zn和Ca原子析出到基底<>位错处，并通过钉扎位错的运动促进了合金强化，同时这些原子也会聚集。这些首次采用普遍存在的低价元素制备的，该BH Mg薄板合金应用于汽车车身是非常有吸引力的。

低碳钢和6000系列铝(Al)合金是用于汽车车身面板的重要质料，由于它们在冲压成型操纵中体现出优秀的成形性和烘烤硬化性。比年来，为了餍足日益增进的减重需求，利用更轻的布局质料已成为汽车产业的必定要求。镁(Mg)作为最轻的布局金属，在汽车车身上的潜伏应用已引起遍及存眷。然而，较差的室温力学性能和高的加工本钱拦阻了产业加工Mg合金薄板的遍及应用，如Mg-3Al-1Zn-0.3Mn (wt.%) (AZ31)和Mg-1Zn-0.2Ce (wt.%) (ZE10)。AZ31合金片材屈服强度约为200MPa，足以作为汽车车身片材。然而，因为在热机器加工历程中孕育发生的强(0002)晶体布局，其Erichsen(I.E.)值(拉伸成形性的指标)小于4mm，低于汽车车身面板冲压所需的值。相比之下，ZE10合金薄板的结晶织构较弱，是以晶体织构值要高得多，约为8-9mm，可与6000系列铝合金薄板相媲美。然而，成形性的改进必要明显捐躯屈服强度，这被称为“强度-成形性衡量逆境”。为了促进镁合金在汽车产业中的应用，开辟高强度、低本钱的可锻压镁合金是非常须要的。

普通来说，固溶(T4)处置惩罚的合金板材因为塑性变形构造的规复和再结晶而体现出较低的屈服强度；是以，在晶体织构削弱的情形下，它们可以提供精良的成形性，这在ZE10合金中得到了证明。只管传统的加工镁合金不体现出显着的时效硬化反响，但身分优化的镁合金的屈服强度可以通过人工时效得到明显进步。是以，开辟具有精良RT可成形性和快速时效淬透性的可热处置惩罚镁合金是办理镁合金强度可成形性衡量题目的一种有前程的途径。遗憾的是，现有的已加工镁合金时效硬化相应格外差，是以其析出硬化特性不显着，没有得到现实应用。

基于此，日本国度质料科学研究所K. Hono传授初次证明白双辊铸轧镁合金板的烘烤硬化性，其可与观看到的低碳钢和6000系列铝合金相媲美。所研制的仅含Al、Zn、Ca、Mn等便宜元素的合金，只需2%预应变，在170℃仅时效20分钟。别的，新开辟的镁片基体织构较弱，微观构造较细，具有与6000系列铝合金一样好的RT成形性能。相干研究效果以Bake-hardenable MgeAleZneMneCa sheet alloy processed by twin-roll casting 为题颁发在金属顶刊Acta Materualia上。

论文链接：http://doi.org/10.1016/j.actamat.2018.07.057

采纳双辊铸轧（TRC）工艺生产了宽260mm、厚4mm的Mg-1.3Al-0.8Zn-0.7Mn-0.5Ca (wt.%)(以下指定为AZMX1110)合金薄板。TRC板在450℃马弗炉中加热2小时，然后水淬。匀称化后的板在100℃轧至1mm厚，每道厚度淘汰约30%。除了最终一次轧制外，板材每道次前在400℃退火10分钟。在170℃油浴时效。

通过烘烤硬化处置惩罚(即预拉伸2%，在170℃下时效20分钟)，该合金的屈服强度可以从177 MPa明显进步到238 MPa。该合金的烘烤硬化性约为40 MPa，可与现在用于制造汽车车身的低碳钢和中等强度铝合金相媲美。

图1 BH AZMX1110合金在RT处的力学性能。(a) AZMX1110试样在Erichsen杯试验后显现断裂，(c)颠末固溶(T4)处置惩罚和烘烤硬化(BH) AZMX1110试样的拉伸曲线。(b)对产业AZ31合金的拉伸成形性能和(d)拉伸性能举行了表征。

图2 I.E.作为一系列Mg和Al板材的屈服强度的函数值，包罗贸易Mg和Al板材，代表性的Mg和Al板材

图3 EBSD IPF图和(0002)和(1010)极图表现T4处置惩罚(a) AZMX1110和(b)商用AZ31合金薄板的微观布局和织构。

图4 (a) BF-STEM图像和(b-f) EDX元素图，表现了T4处置惩罚的AZMX1110样品中富含铝和锰的纳米级颗粒。

图5 EBSD IPF(反极图)图表现了(a)未变形(T4)和(b) 2%拉伸AZMX1110个样品的微观布局

图6双束亮场TEM图像表现了2%预拉伸AZMX1110样品的微观布局，这些图像是在(a) g=0002，(b) g=0-110，(c) g =0-111双束条件下拍摄的。

图7用相干的TEM-APT技能表征了预应变和烘烤硬化的AZMX1110样品的微观布局。(a)在g=01-10条件下，2%预拉伸试样得到的双束BF-TEM图像。(b)雷同样品尖真个相干三维原子探针(3DAP)图，如(a)所示。(c)如(a)所示的(b)及其对应地区的叠加。(d)烘烤硬化样品g =01-11时得到的两束BF-TEM图像。(e)同样品尖真个相干3DAP图(d)，为0.48at.% Ca等浓度外貌。(f) (e)与(d)中对应地区的叠加。

图8 (a)图7e中沿蓝色圆柱形地区(直径为8 nm)的1D组分剖面。(b)图7e中位错线处的局部溶质浓度表示图。位错核区Al、Zn和Ca的原子浓度明显高于基体区，阐明时效历程中Al、Zn和Ca原子向位错核迁徙。

用正交温度阐发法对烘烤硬化的AMZX1110样品举行了微观布局表征评释，Al、Zn和Ca的原子析出至位错，并在聚拢的同时促进了强化成效。BH AZMX1110薄板合金乐成地降服了通常的成形性和强度之间的衡量干系，这一向拦阻了镁合金在汽车范畴的应用。是以，本文的发觉有望促进BH - Mg薄板合金在汽车产业中的应用。

图9从烘烤硬化AZMX1110合金中得到的(a) Mg和(b)溶质原子的3DAP元素映射。(c)在所选地区检测到Al、Zn和Ca簇

图10 (a) BF-TEM和(b) HAADF-STEM图像，表现烘烤硬化AZMX1110合金基体地区的微观布局。从矩阵地区记载的[1120]、[0110]和[0002]选定地区的衍射图样也在(a)中提供。

图11 AZMX1110合金的烘烤硬化机理研究。(a)颠末高温溶液热处置惩罚，溶质原子溶解到α- Mg基体中。(b)通过预拉伸引入晶格缺陷，即基底位错。(c)在短时间时效历程中，溶质原子不但分散到基位错，并且还形成小团簇。

图12 (a) HAADF-STEM图像和(b-e) EDX元素图，表现在T4处置惩罚的AZMX1110样品中Al、Zn和Ca的晶界分散

综上所述，本文采纳低本钱双辊铸造工艺生产了可烘烤硬化(BH)和室温(RT)可成形的Mg-1.3Al-0.8Zn-0.7Mn-0.5Ca (wt.%) (AZMX1110)合金板材。在RT条件下，因为弱的“四重”基织构，其Erichsen值指数为7.8 mm。通过烘烤硬化处置惩罚(即预拉伸2%，在170℃下时效20分钟)，该合金的屈服强度可以从177 MPa明显进步到238 MPa。该合金的烘烤硬化性约为40 MPa，可与现在用于制造汽车车身的低碳钢和中等强度铝合金相媲美。