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西工大《MSEA》：微合金化調(diào)控鑄態(tài)Al-Mg-Si-Cu合金的強塑性！

2022-10-26 13:55:27 作者：材料科學(xué)與工程來源：材料科學(xué)與工程分享至：

大多數(shù)提高強度的冶金機制都會不可避免地導(dǎo)致塑性損失，金屬材料的強度和塑性通常是負(fù)相關(guān)的，稱為所謂的“強度-塑性權(quán)衡”困境，鋁合金也是如此。通過比較改性合金與母材的屈服強度(YS)和總斷裂應(yīng)變(StF)，可以實現(xiàn)三種典型的強度-塑性權(quán)衡：強度略有增加，塑性明顯下降；強度適度增加，塑性相應(yīng)降低；強度大大增加，塑性適度下降。然而，更好地利用二次相組合解釋強度-塑性權(quán)衡關(guān)系的研究還相當(dāng)少。

為此，來自西工大的研究人員采用鑄態(tài)Al-Mg-Si-Cu合金作為基材，為了生產(chǎn)具有不同二次相組合的材料，分別添加了Ge和Sb。全面、系統(tǒng)地研究了三種典型的強度-塑性權(quán)衡性。并在此基礎(chǔ)上，利用第一性原理計算和多機制模型對改性合金的變形、脆化和強化機理進行了分析和討論。相關(guān)論文以題“Microalloying-modulated strength-ductility trade-offs in as-cast Al–Mg–Si–Cu alloys”發(fā)表在MSEA。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.msea.2022.143897

圖1微合金改性鑄態(tài)鋁合金強度和塑性之間相關(guān)性的數(shù)據(jù)統(tǒng)計:(a)強度和塑性同時增加;(b)犧牲塑性增加強度

對于同時增加強度和延展性的情況，改性合金的StF可以增加到基體合金的五倍，而改性合金的YS幾乎不能達(dá)到基礎(chǔ)合金的兩倍。對于強度隨著塑性損失而增加的情況，StF與YS呈線性負(fù)相關(guān)。因此，對于相同的微合金系統(tǒng)，較大的YS增加通常伴隨著更大的StF遞減。

圖2 合金的力學(xué)性能:(a)拉伸時的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線，(b)壓縮時的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線，(c)壓縮時的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線，(d)拉伸和壓縮時的YS和拉伸時的StF。

圖3 強化機理的定量估計與實驗的YS 。σp，σg，σs和σi分別表示二次相、GBs、固溶體原子和純Al的強度增量

通過上述多種強化機制模型的計算，可以得到各種機制對強度的貢獻(xiàn)值。預(yù)測值與實驗值之間的偏差可能來自于數(shù)據(jù)的統(tǒng)計偏差和多機制模型本身的有限精度。強度增加主要來自二次相強化，占總強度的72.9 ~ 81.9%。固溶強化占總強化量的6.5~8.7%。與GBs(1.8-2.5%)一樣，固溶原子對強度改性的影響可以忽略不計。仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)，粗大的初生相對強度的影響也不大。增加粗初生相體積分?jǐn)?shù)或減小粗初生相尺寸，強度增加不超過1.0 MPa。在強烈的對比中，改變細(xì)析出相形狀(類型)、粒度和比例，強度變化更為明顯。因此，典型強度-塑性權(quán)衡的M1、M2和M3合金強度的增加主要來自于改性后的細(xì)析出相。

圖4 微合金改性強度-塑性權(quán)衡示意圖

典型強度-塑性權(quán)衡改性合金的脆化是由粗初級相的尺寸和體積分?jǐn)?shù)的增加決定的。然而，合金強度的增加來自于改性后細(xì)析出相。對于M0合金，片狀β相、針狀Q相和納米Si顆粒強化析出相的強化作用近似相等。由于改性合金的StF下降幾乎是相同的水平，約為42%，M1合金、M2合金和M3合金的不同強度-延性權(quán)衡應(yīng)歸因于它們對細(xì)析出相的不同強化效果。

本文研究了鑄態(tài)Al-Mg-Si-Cu合金中Ge和Sb的微合金化所產(chǎn)生的三種典型的強度-塑性權(quán)衡行為。發(fā)現(xiàn)Ge和Sb的微合金化顯著提高了鑄態(tài)Al-0.8Mg-1.0Si-0.5Cu合金的強度。通過引入一種新的強度和塑性變化尺度的表示方法，實現(xiàn)了3種典型的強度-塑性權(quán)衡關(guān)系。微合金的強度-塑性權(quán)衡與其特殊的微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，通過改變細(xì)析出相的類型、尺寸和比例來調(diào)節(jié)不同強度-塑性權(quán)衡。

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