Metall. Mater. Trans. A: 一种获得Al-Mg-Si系超细晶铝合金的新方法

【引言】

超细晶粒(UFG)结构材料由于其有着优良的抗疲劳性能、良好的焊接性、较高的强度以及良好的低温韧性等优点，其在加工领域得到了广泛的应用。金属材料为获得超细晶粒，常常采用强塑性变形(SPD)的方式，使得晶粒细化。等径角挤压(ECAP)是最为普遍的强塑性变形方法，可以使金属材料及其合金的晶粒有效地细化。然而极低的生产率是其一大弊端。近日，有学者首次通过增量等径角挤压法(I-ECAP)将Al-Mg-Si合金制成UFG板，并研究其结构演变过程。

【成果简介】

近日，华沙理工大学Marta Lipinska在Metall. Mater. Trans. A上发布了一篇关于超细晶粒铝合金的文章，题为“Ultrafine-Grained Plates of Al-Mg-Si Alloy Obtained by Incremental Equal Channel Angular Pressing: Microstructure and Mechanical Properties”。作者通过增量等径角挤压法(I-ECAP)将铝合金制成超细晶粒薄板，以获得具有低力学性能各向异性的均匀超细晶粒板，此外还对晶粒细化机理进行了较为深入的探究。研究结果表明， I-ECAP方法可以有效地改进铝合金的微观结构，降低其平均晶粒尺寸；与传统SPD方法制成的UFG板相比，具有更低的力学性能各向异性。

【图片导读】

图1： I-ECAP工具

1-装模 2-固定用模 3-冲头 4-推进器 5-压板

工作区域如图1所示，其特点在于xyz右旋坐标系，这个坐标系与ECAP加工部件的特征平面相联系，即X轴表示横截面(背面)，Y轴表示纵界面(侧面)，Z轴表示平面(顶面)。

图2：连续四次增量等径角挤压过程中，方板剪切面的位置

方板在相同方向上饶Z轴旋转90度，挤压路径导致剪切面位置改变。

图3：初始样品EBSD取向图

大角晶界(HAGB)以黑色突出显示，但不太明显，灰色边界是小角晶界(LAGB)。从X和Y平面可以观察到，初始样品具有近等轴粗晶粒。

图4：样品经一次和四次挤压后X、Y和Z平面的取向图

第一次施加应力后，在X平面上，内部结构分成粗晶粒和LAGB结构；Y平面上则是经ECAP加工后的典型特征结构，晶粒细长并相对于剪切方向倾斜。经四次I-ECPA加工过后，晶粒进一步细化。晶粒更加等轴同时可以与不同的平面相比较。

图5：每个平面对应的取向角分布

黑色标记的初始样品表现出接近Mackenzie图的取向角分布，在该样品中存在高比例的HAGB。灰色条是经一次加工后的式样，大部分晶界为小角度型。而经四次加工后的式样，晶界已具有高于15度的取向角，但大部分仍为LAGB结构。

图6：纵向横向的应力-应变曲线

I-ECAP工艺显著提高了材料的机械强度，此外，经过四次加工的样品比经过一次加工的样品具有更高的伸长率。

图7：样品显微硬度

经四次加工后的样品其硬度值明显高过一次加工的样品。

图8：样品经一次I-ECAP后的TEM图

(a) X平面的微观结构；

(b) Y平面的微观结构；

(c) Z平面的微观结构。

图9：样品经四次I-ECAP后的TEM图

(a) X平面的微观结构；
(b) Y平面的微观结构；
(c) Z平面的微观结构。
与一次加工相比，四次加工后晶粒更加细化，呈细长状。

【小结】

这篇文章揭示了I-ECAP法可以有效地改进Al-Mg-Si系合金的微观结构，生产出的UFG铝合金板在厚度上更具有均匀性，同时其强度和延展性更为优良。此外，研究还表明Al-Mg-Si合金晶粒细化机理明显不同于纯铝，这可归因于合金中较低的堆垛层错能和位错迁移率。

文献链接：Ultrafine-Grained Plates of Al-Mg-Si Alloy Obtained by Incremental Equal Channel Angular Pressing: Microstructure and Mechanical Properties（Metall. Mater. Trans. A, July 31, 2017, DOI: 10.1007/s11661-017-4258-8）

本文由材料人编辑部新人组金晨编译，陈炳旭审核，点我加入材料人编辑部。

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