導(dǎo)讀：鋁-鎂-鋅基合金是新開(kāi)發(fā)的高性能時(shí)效硬化 5xxx 系列合金。然而，由于在塑性變形過(guò)程中存在呂德斯帶和波特文-勒-夏特萊（PLC）效應(yīng)，它們的表面質(zhì)量較差，而且由于成分顆粒較大，伸長(zhǎng)率（EL）也受到了影響。在這項(xiàng)研究中，采用了不同的均質(zhì)化機(jī)制和少量添加 Zr 的方法來(lái)控制 Al-7Mg-2Zn-0.15Zr 合金的微觀結(jié)構(gòu)演變，從而控制其變形特性。結(jié)果表明，400 °C/12小時(shí)+465 °C/12小時(shí)的兩步均勻化處理可充分溶解組成相，消除微觀偏析，并實(shí)現(xiàn)Al3Zr分散體的精細(xì)均勻分布，從而使軋制和退火后的屈服強(qiáng)度（YS）達(dá)到201兆帕，極限強(qiáng)度（UTS）達(dá)到376兆帕。最重要的是，研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)兩步均勻化形成的分散 Al3Zr 有利于阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而延長(zhǎng)了等待時(shí)間，增加了應(yīng)力振幅，進(jìn)而減少了 PLC 帶的數(shù)量。此外，分散的 Al3Zr 誘導(dǎo)的位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)可進(jìn)一步抑制活躍位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，從而抑制呂德斯帶的形成。這項(xiàng)研究為優(yōu)化高鎂含量合金的機(jī)械響應(yīng)和表面質(zhì)量提供了一種簡(jiǎn)單有效的均質(zhì)機(jī)制。

5xxx 系列鋁鎂基合金具有良好的比強(qiáng)度、剛度、耐腐蝕性和可焊性，已被廣泛應(yīng)用于船舶和汽車(chē)等各個(gè)領(lǐng)域。作為一種傳統(tǒng)的非熱處理金屬，鋁鎂基合金通常通過(guò)固溶強(qiáng)化和加工硬化獲得中等強(qiáng)度，而這兩種方法都與鎂含量密切相關(guān)。據(jù)報(bào)道，隨著鎂含量從 5 wt.%、7 wt.% 增加到 10 wt.%，均化二元鋁鎂合金的屈服強(qiáng)度（YSs）從 77 MPa、147 MPa 增加到 169 MPa。然而，鎂含量高于 6% 時(shí)，通常會(huì)導(dǎo)致晶界形成粗大的 β-Al3Mg2 金屬間化合物顆粒，從而降低延展性和抗應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂性能。為解決這一問(wèn)題，添加其他合金元素與鎂一起分解并抑制β相的析出可能是一種可行的方法。Zhang 等人報(bào)道，在添加 Zn 后，球形且連貫的 T-Mg32(Al,Zn)49 可以從鋁基體中析出，并在老化過(guò)程中產(chǎn)生相當(dāng)大的沉淀硬化反應(yīng)。在 5xxx 合金中加入銅和/或銀也會(huì)出現(xiàn)類(lèi)似的現(xiàn)象。

與高鎂含量有關(guān)的另一個(gè)問(wèn)題是，在時(shí)效處理前的變形加工過(guò)程中（如軋制或擠壓），過(guò)多的鎂原子會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的塑性不穩(wěn)定現(xiàn)象，導(dǎo)致表面質(zhì)量下降。兩種可能的塑性不穩(wěn)定現(xiàn)象是 Lüders 帶和 Portevin-Le Chatelier（PLC）效應(yīng)。更具體地說(shuō)，Lüders 帶表現(xiàn)為應(yīng)力-應(yīng)變曲線中具有上屈服點(diǎn)和下屈服點(diǎn)的屈服高原，導(dǎo)致試樣表面"Lüders線"的形成和傳播。這歸因于靜態(tài)應(yīng)變老化（SSA），即在塑性變形的初始階段，可移動(dòng)位錯(cuò)可從鎂溶質(zhì)原子脫銷(xiāo)并迅速逸出到試樣表面。PLC 效應(yīng)源于在隨后的變形過(guò)程中，移動(dòng)位錯(cuò)在鎂原子周?chē)?Cottrell 氣氛作用下周期性地釘住和脫釘，這被定義為動(dòng)態(tài)應(yīng)變老化（DSA）。不得不提的是，這兩種效應(yīng)都會(huì)導(dǎo)致表面質(zhì)量下降，并在最終產(chǎn)品中殘留。因此，必須對(duì)其進(jìn)行抑制。

分散體通常在均勻化過(guò)程中形成，被認(rèn)為對(duì)塑性不穩(wěn)定現(xiàn)象有改善作用。在許多鋁合金中已經(jīng)證實(shí)，微量添加一些低成本的過(guò)渡元素（如 Zr 和 Sc）可以產(chǎn)生 L12 結(jié)構(gòu)的分散體，從而在不犧牲太多延展性的情況下細(xì)化晶粒、提高抗再結(jié)晶能力和分散強(qiáng)化效果。最近，Ebenberger 等人報(bào)告說(shuō)，分散體周?chē)拇罅课诲e(cuò)可實(shí)現(xiàn)跨晶界滑移以避免呂德斯帶，而不會(huì)激活被鎂原子釘住的位錯(cuò)源。Bakare 等人進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，在 Al-Mg 合金中微量添加 Sc 和 Zr 可降低 PLC 的應(yīng)力波動(dòng)幅度，這主要?dú)w功于分散的 L12-Al3(Sc，Zr) 納米粒子。然而，所研究的這些合金都是模型合金，Sc 元素相對(duì)昂貴，很難應(yīng)用于生產(chǎn)。因此，以低成本的方式在熱變形前獲得高密度的細(xì)小 Al3Zr 分散體具有重要意義。

均勻化是調(diào)節(jié) Al3Zr 顆粒析出的有效方法。溫度和時(shí)間這兩個(gè)關(guān)鍵因素決定了勻化效果。Tang 等人研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于 Al-5Mg-3Zn-1Cu 合金，最佳的一步均質(zhì)處理溫度為 470 ℃/24 h。此外，這種高溫對(duì) Al3Zr 成核的熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力較低，導(dǎo)致分散體的數(shù)量密度較低。因此，我們采用了兩步均勻化機(jī)制來(lái)進(jìn)行改進(jìn)，尤其是在促進(jìn) Al3Zr 沉淀方面。在這種情況下，停留在低溫范圍內(nèi)的第一步為分散體提供了有利的成核條件；在較高溫度下的第二步使其進(jìn)一步沉淀和生長(zhǎng)，最終獲得分散的細(xì)小 Al3Zr。然而，通過(guò)改變勻化制度來(lái)操縱 Al3Zr 分散體對(duì) Lüders 帶和 PLC 效應(yīng)的影響尚未得到很好的研究，尤其是對(duì)高鎂含量合金的影響。

在這項(xiàng)工作中，我們開(kāi)發(fā)了一種高鎂含量（7 wt.%）和高鎂鋅比（3.5）的 Al-Mg-Zn-Zr 合金，并根據(jù)不同的機(jī)理設(shè)計(jì)了三種不同的均質(zhì)機(jī)制，如表 1 所示 同時(shí)，還研究了不同均質(zhì)機(jī)制對(duì)微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能的影響。利用掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）和差示掃描量熱儀（DSC）進(jìn)行了詳細(xì)的表征，以揭示均質(zhì)化過(guò)程中共晶相和析出分散體的演變。通過(guò)電子反向散射衍射（EBSD）評(píng)估了軋制和退火后微觀結(jié)構(gòu)相應(yīng)的抗再結(jié)晶性。此外，還仔細(xì)分析了塑性不穩(wěn)定性行為，包括呂德斯帶和 PLC 效應(yīng)，最終確認(rèn)了優(yōu)化的均質(zhì)化機(jī)制。相關(guān)研究由北京理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院錢(qián)鋒副教授和潘士偉博士后合作進(jìn)行，其相關(guān)研究成果過(guò)以“Improving microstructure and deformation surface quality of novel Al-Mg-Zn-Zr alloy by varying homogenization regimes”為題，發(fā)表在Journal of Materials Science & Technology上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1005030223009854

圖 1 （a、b）鑄件 Al-Mg-Zn-Zr 合金不同放大倍數(shù)的 SEM-BSE 圖像。表 3 顯示了（b）中標(biāo)注的 EDS 點(diǎn)識(shí)別結(jié)果。(c) (b) 中橙色矩形區(qū)域的 EDS 圖譜結(jié)果，顯示了凝固過(guò)程中形成的組成相和微偏析。

圖 2 顯示（a、b）HT400、（c、d）HT465 和（e、f）均質(zhì)化樣品微觀結(jié)構(gòu)的 SEM-BSE 圖像，（g）不同狀態(tài)下金屬間相面積分?jǐn)?shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。這里的 AC 是指均質(zhì)樣品。

圖 3 鑄造和均質(zhì)化 Al-Mg-Zn-Zr 樣品的 DSC 加熱曲線。

圖 4 不同狀態(tài)下 Al-Mg-Zn-Zr 樣品的 EDS 線掃描分析：（a）鑄件，（b）DHT（垂直虛線標(biāo)出金屬間相的位置）。

圖 5 （a）DHT 樣品中 Al3Zr 分散體的 STEM-HAADF 圖像；（b）（a）中綠色矩形標(biāo)記區(qū)域的傅立葉濾波圖像；（c）EDS 圖譜結(jié)果，顯示了（a）中各元素的分布情況。

本文研究了一種新型 Al-Mg-Zn-Zr 合金在經(jīng)過(guò)三種均勻化處理后金屬間相的演變、微偏析和分散體。討論了不同均質(zhì)化制度對(duì) PLC 效應(yīng)和 Lüders 帶的影響及相關(guān)機(jī)理，主要結(jié)果如下：

(1). 與 HT400（400 ℃/24 h）和 HT465（465 ℃/24 h）一步均質(zhì)相比，兩步均質(zhì)（400 ℃/12 h + 465 ℃/12 h，DHT）實(shí)現(xiàn)了共晶 T 相充分溶解、微偏析消除和 Al3Zr 分散體優(yōu)化沉淀的良好結(jié)合。

(2). 與傳統(tǒng)的一步法相比，兩步均質(zhì)工藝有助于改善合金在熱軋過(guò)程中的變形能力，從而減少邊緣開(kāi)裂，提高表面質(zhì)量。

(3). 與其他同類(lèi)產(chǎn)品相比，退火后的 DHT 試樣在塑性變形過(guò)程中表現(xiàn)出的 PLC 效應(yīng)明顯較弱，等待時(shí)間較長(zhǎng)，應(yīng)力振幅較大，因此 PLC 帶的數(shù)量較少。這種差異可歸因于 DHT 樣品中高密度分散的 Al3Zr 有效阻礙了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。

(4). 在 1%塑性變形后，退火的 DHT 樣品沒(méi)有出現(xiàn) Lüders 高原，表面劣化幾乎可以忽略不計(jì)，而退火的 HT465 樣品則表現(xiàn)出相反的特征。這是因?yàn)槲诲e(cuò)網(wǎng)絡(luò)均勻地分布在后一種樣品的基體中，從而進(jìn)一步抑制了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，阻止了呂德斯帶的形成。