昆明理工大学Metall. Mat. Trans. A: 梯度结构镁合金的力学性能

【引言】

镁及其合金具有传热好、电磁屏蔽和密度低等优点，因而具有广阔的应用前景；但是其力学性能和冷加工性能较差却严重限制了其实际应用。因此，Mg合金力学性能的强化成为了Mg合金领域研究的难点。近几十年，为了提升Mg合金的强度，相继出现了累计叠轧(ARB)、往复挤压(CEC)、等径角挤压(ECAP)、高压扭转变形(HPT)等大塑性变形(SPD)技术，但是往往在提升强度的同时严重劣化了其韧性。表面机械研磨处理(SMAT)技术可以获得具有梯度结构的合金材料，因此有望克服强度与韧性的矛盾，是近年来合金强化领域研究的热点。

【成果简介】

近日，昆明理工大学赵昆渝教授(通讯作者)等人在Metallurgical and Materials Transactions A发表了题为“Mechanical Properties of Gradient Structure Mg Alloy”的研究论文，报道了SMAT处理对Mg合金结构及性能的影响。该研究团队在室温下对AZ31B镁合金进了SMAT处理，获得了具有梯度结构的Mg合金，其最表层晶粒尺寸为纳米级而内部仍保持较粗的晶粒，因而同时具有优异的强度和韧性。经30min SMAT处理的AZ31B样品的屈服强度可达到249±5 MPa，均匀伸长率为9.3±0.8 pct。研究发现，梯度结构的体积分数是AZ31B镁合金获得最优力学性能的关键，一般应控制在9.3~14 pct。

【图文导读】

图1：3mm厚的AZ31B样品的光学显微图

(a)退火后；(b)5min SMAT；(c)15min SMAT和(d)30min SMAT。

图2：经30min SMAT处理的样品的照片及晶粒尺寸分布

(a)经30min SMAT处理样品的最表层的明场像；

(b)图(a)中红色正方形区域的高倍TEM图；

(c)图(a)中的晶粒尺寸分布；

(d)图(b)所对应的SAED(选区电子衍射)花样。

图3：经30min SMAT处理样品的截面明场像

(a)和(b)分别为对应区域的SAED花样。

图4：AZ31B镁合金样品的XRD谱

图中annealed、SMAT-5min、SMAT-15min和SMAT-30min分别为经退火和5、15、30min SMAT处理的样品的XRD谱。

图5：经不同处理的Mg合金样品的硬度与距最表层深度的关系

图中annealed、5min、15min和30min分别代表经退火(623K，5h)和SMAT(5、15和30min)处理的样品。

图6：经SMAT处理的AZ31B合金的应力应变曲线和加工硬化应变曲线

(a-c)分别为室温下处理5min、15min和30min的样品。

图7：梯度结构(GS)层的体积分数(VF)与应力和均匀伸长率的关系

A: SMAT处理5min的2mm厚样品；B: SMAT处理30min的3mm厚样品；C: SMAT处理15min的2mm厚样品；D: SMAT处理30min的2mm厚样品；E: SMAT处理30min的1mm厚样品。

图8：所有样品的应力松弛的对比和可移动位错密度的变化

(a)应力松弛随时间的变化；

(b)可移动位错密度随时间的变化。图中annealed、SMAT-5min、SMAT-15min和SMAT-30min分别为经退火和5、15、30min SMAT处理的样品。

图9：拉伸试样的断面SEM图

(a)AZ31B镁合金拉伸试样断面的SEM图；

(b-d)分别为所对应区域的放大SEM图。

图10：实验值与文献值的对比

图中所选用的数据点分别为经SMAT处理30min的3mm和2mm厚样品。

【小结】

本文通过对AZ31B镁合金进行室温SMAT处理获得了具有梯度结构的镁合金，在保持Mg合金良好韧性的同时大大提高了其强度。文章还揭示了梯度结构，特别是其体积分数对Mg合金力学性能的影响，对Mg合金的强化研究具有重要的借鉴意义，为高强Mg合金产品的开发奠定了一定基础。

文献链接：Mechanical Properties of Gradient Structure Mg Alloy(Metallurgical and Materials Transactions A, 2017, DOI: 10.1007/s 11661-017-4216-5)

本文由材料人编辑部纳米学术组Roay供稿，欧洲足球赛事 编辑整理。

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