導(dǎo)讀:合金復(fù)合材料的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，包括具有顯著不同的本構(gòu)性質(zhì)的異質(zhì)域，具有顯著的潛力，以擴(kuò)大材料設(shè)計系統(tǒng)的領(lǐng)域，并解決強(qiáng)度和韌性之間的權(quán)衡。本文介紹了一種在非熱處理Al-2.5%Mg合金中制備梯度偽沉淀異質(zhì)結(jié)構(gòu)（GPHS）的材料設(shè)計方法。利用低成本低碳鋼作為擴(kuò)散源和保護(hù)層，這種異質(zhì)結(jié)構(gòu)是通過無銷摩擦攪拌輔助循環(huán)局部變形過程實現(xiàn)的。外源Fe原子通過摩擦攪拌誘導(dǎo)的熱傳導(dǎo)在界面擴(kuò)散，在Al合金基體中形成Fe-Al第二相粒子。一個快速的相互擴(kuò)散機(jī)制與密集的位錯壁，晶界和亞結(jié)構(gòu)一起被激活，導(dǎo)致偽沉淀物的形成。這些偽析出物最終以梯度分布分散在由局部增量變形引起的Al合金基體的整個厚度中。GPHS處理的Al-2.5%Mg合金表現(xiàn)出強(qiáng)度和塑性的增強(qiáng)的協(xié)同作用，其中均勻延伸率從11%增加到21.2%，同時保持強(qiáng)度。多種強(qiáng)化和硬化機(jī)制，如固溶強(qiáng)化、位錯硬化和第二相強(qiáng)化，協(xié)同工作以提高機(jī)械性能。值得注意的是，硬偽析出物和軟鋁合金基體之間的異質(zhì)變形引起額外的應(yīng)變硬化，導(dǎo)致高延展性。這項工作為設(shè)計和制造具有先進(jìn)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的高性能合金，特別是不可熱處理的合金提供了一個新的視角。

鋁合金由于其高的比強(qiáng)度、優(yōu)異的耐腐蝕性、減震能力、顯著的延性斷裂韌性和良好的成形性而廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車和建筑工業(yè)。盡管有這些優(yōu)點(diǎn)，但鋁合金遭受相對強(qiáng)度—延展性的困境，這限制了它們的性能，特別是當(dāng)與其他高強(qiáng)度金屬材料如先進(jìn)鋼，鎳基合金和高/中熵合金相比時。冶金科學(xué)和工程界已經(jīng)努力提高不可熱處理的強(qiáng)化Al合金（例如5xxx Al—2.5%Mg合金）的機(jī)械性能。通過各種技術(shù)制造的晶粒細(xì)化或引入外部硬增強(qiáng)顆粒等解決方案已被證明是有效的，特別是對于通過摩擦攪拌處理的合金或金屬基復(fù)合材料。然而，這些解決方案僅依賴于晶界強(qiáng)化、位錯硬化或第二相強(qiáng)化的機(jī)制，這通常以延展性或強(qiáng)度為代價。后熱處理可以恢復(fù)韌性，但強(qiáng)度由于熱不穩(wěn)定性再次下降。因此，傳統(tǒng)的強(qiáng)度—塑性平衡對于不可熱處理的強(qiáng)化5xxx鋁合金仍然是一個挑戰(zhàn)。

為了緩解甚至克服這種困境，定制異質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)，而不僅僅是細(xì)化同質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)，可以提供一種實現(xiàn)綜合機(jī)械性能的可行方法。近幾十年來，通過各種創(chuàng)新途徑，包括機(jī)械性能顯著變化的異質(zhì)域，異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料得到了熱烈的發(fā)展。合成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)（HS）可以分為結(jié)構(gòu)和功能類別。在廣泛的結(jié)構(gòu)HS中，具有屬性變化的空間梯度HS特別吸引人，其靈感來自生物材料的梯度結(jié)構(gòu)。它們通常包括組成梯度和/或結(jié)構(gòu)梯度。這些空間梯度異質(zhì)結(jié)構(gòu)的設(shè)計原理是基于在這些異質(zhì)區(qū)的操作中的差異晶粒細(xì)化、硬沉淀物、相變、相互擴(kuò)散和界面物理化學(xué)反應(yīng)的潛在機(jī)制。化學(xué)不均勻性還可以導(dǎo)致與其同質(zhì)對應(yīng)物相比具有上級機(jī)械性能以及功能性。從位錯行為的角度研究了空間梯度HS的變形機(jī)制。由于軟、硬疇之間的非均勻變形響應(yīng)，在疇界面內(nèi)誘導(dǎo)幾何必要位錯（GND）以適應(yīng)應(yīng)變不相容。因此，這些GND會產(chǎn)生長程異質(zhì)變形誘導(dǎo)（HDI）應(yīng)力，即硬疇處的背應(yīng)力和軟疇處的正應(yīng)力。HDI應(yīng)力可以通過提供額外的應(yīng)變硬化能力來增加屈服強(qiáng)度并保持延展性。

異質(zhì)結(jié)構(gòu)Al合金基材料，特別是那些對應(yīng)于雙峰或三峰系統(tǒng)的材料，由于其增強(qiáng)機(jī)械性能的潛力而引起了人們的關(guān)注。考慮到材料設(shè)計、制造和變形機(jī)制等方面，通過調(diào)整微觀結(jié)構(gòu)并結(jié)合成分梯度，可以潛在地實現(xiàn)5 xxx Al合金的所需協(xié)同機(jī)械性能。將外部硬納米/微米第二相顆粒嵌入Al合金基體作為增強(qiáng)成分的策略可以通過摩擦攪拌處理來實現(xiàn)。實例包括摻雜的Fe 或Ti合金顆粒和石墨烯納米復(fù)合材料。在這些情況下，術(shù)語“假沉淀物”似乎更適合代表外源性強(qiáng)化資源，其不同于其基質(zhì)中的內(nèi)部化學(xué)成分。然而，犧牲延展性或強(qiáng)度仍然是基于FSP的摻雜Al合金的設(shè)計和制造途徑的限制。關(guān)于梯度復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能的研究很少，除了成分梯度300 M鋼的情況。

在本研究中，上海交通大學(xué)安大勇教授團(tuán)隊聯(lián)合韓國浦項科技大學(xué)、長沙理工大學(xué)引入了一種新穎的設(shè)計理念，在不可熱處理的 Al-2.5%Mg 合金中合成可調(diào)梯度贗沉淀異質(zhì)結(jié)構(gòu) (GPHS)。所設(shè)計的GPHS是通過自主開發(fā)的無銷攪拌摩擦輔助循環(huán)局部變形（FS-CLD）工藝實現(xiàn)的。該工藝結(jié)合了無銷攪拌摩擦加工引起的熱傳導(dǎo)和增量板材成形技術(shù)引起的局部壓縮拉伸變形。該策略不同于依賴隨機(jī)第二相/沉淀物或動態(tài)再結(jié)晶 (DRX) 的傳統(tǒng)技術(shù)。外源 Fe 元素擴(kuò)散源被納入鋁合金基體中，產(chǎn)生梯度富鐵沉淀物。這些第二相粒子被稱為偽沉淀物，以區(qū)別于本征沉淀物。與原樣和退火狀態(tài)的 5052 鋁合金相比，GPHSed 鋁合金由于其 HDI 強(qiáng)化和應(yīng)變硬化效應(yīng)，在不影響強(qiáng)度的情況下實現(xiàn)了高延展性。這項工作對于先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料、薄壁產(chǎn)品或集成制造的制備具有重要意義。這些發(fā)現(xiàn)還促進(jìn)了異質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的設(shè)計和具有無與倫比的強(qiáng)度-延展性-輕量化性能的合金異質(zhì)結(jié)構(gòu)的先進(jìn)制造，特別是對于不可熱處理的強(qiáng)化合金。

相關(guān)研究成果以“Enhanced strength-ductility synergy in a gradient pseudo-precipitates heterostructured Al-2.5%Mg alloy: Design, fabrication, and deformation mechanism”發(fā)表在Journal of Materials Science & Technology上

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1005030224002809?via%3Dihub

圖1 (a1)配置無銷FS-CLD工藝，突出嚴(yán)重塑性變形誘導(dǎo)快速擴(kuò)散的特征（鋼層）和增量板變形（a2）示出具有第二相顆粒、部分DRX晶粒和粗晶粒的GPHS的制造的示意圖;（b）涉及四個階段的工藝的實例：UHA、FSP、LPD和DHA適用于截頭圓錐形零件。CS-樣品和TD-樣品分別表示橫截面表征樣品和拉伸變形樣品。

圖 2 無引腳 FS-CLD 工藝后的典型 GHPSed 5052

圖 3 GPHSed 鋁合金不同深度的 TEM 觀察結(jié)果：

圖4 GPHSed 5052 實現(xiàn)了增強(qiáng)的強(qiáng)度-延展性協(xié)同作用：

圖 8 GPHSed 5052 的微觀結(jié)構(gòu)演變：(a1-a4)變形變形狀態(tài)和 KAM 分布的描述（未標(biāo)記的黑色比例尺代表 40 μm）；  (b) LAGB 分?jǐn)?shù)和 KAM 值在整個過程中的演變。

圖 9 鋁合金中 GPHS 各階段形成機(jī)制概述

圖 10 5052 鋁合金在 GPHSed、收到狀態(tài)和退火狀態(tài)下的拉伸變形響應(yīng)

圖 11 GPHSed 5052 樣品在拉伸變形過程中的微觀結(jié)構(gòu)演變。

在這項工作中，引入了一種新穎的制造策略，稱為無銷攪拌摩擦輔助循環(huán)局部變形 (FS-CLD)，用于在商用 5052 鋁合金層中制造 GPHS。  GPHSed 5052 表現(xiàn)出增強(qiáng)的強(qiáng)度和延展性協(xié)同作用。根據(jù)我們的發(fā)現(xiàn)，得出一些結(jié)論如下：

在 Fe-Al GPHS 形成過程中，假沉淀物在四個階段經(jīng)歷了明顯的變化。在初始 UHA-FSP 階段，剪切應(yīng)力將細(xì)小的富鐵碎片引入鋁合金基體中，作為鐵原子擴(kuò)散和偽沉淀成核位點(diǎn)的來源。在隨后的 LPD-DHA 階段，在熱機(jī)械條件下，界面 Fe-Al 金屬間層、位錯單元和晶界激活快速原子擴(kuò)散。因此，假沉淀物（即θ (Fe₄ Al₁₃) 相和η (Fe₂ Al₅) 相）在鋁合金基體中形核、生長并重新分布，并具有梯度分散特征。

與之前的研究相比，Fe-Al GPHSed 5052鋁合金表現(xiàn)出增強(qiáng)的協(xié)同力學(xué)性能，屈服強(qiáng)度為178 MPa，均勻伸長率為21.2%。與原樣 5052 和退火態(tài) 5052 對應(yīng)物相比，更高的 HDI 強(qiáng)化和應(yīng)變硬化效果主要增強(qiáng)了強(qiáng)度和延展性，超過了沉淀強(qiáng)化和位錯硬化的次要貢獻(xiàn)。  GPHS 中的 HDI 效應(yīng)源于基體和贗析出物中軟/硬域的邊界相互作用，這促進(jìn)了拉伸應(yīng)變期間累積位錯的能力，導(dǎo)致 GND 堆積和重新分布。

目前的工作可以為通過部署 GPHS 實現(xiàn)不可熱處理強(qiáng)化金屬材料的卓越機(jī)械性能提供新的見解。這種制造策略對于通過局部調(diào)整變形微觀結(jié)構(gòu)來制造工程應(yīng)用的復(fù)雜薄壁零件也很有效。可以使用改進(jìn)的雙面無針 FS-CLD 工藝、進(jìn)行進(jìn)一步的研究，在 5052 鋁合金層的兩側(cè)制造 GPHS，該工藝具有獲得更高加工硬化能力并提高強(qiáng)度的潛力。