導(dǎo)讀：傳統(tǒng)Al-Mg合金的強度主要依靠冷變形和增加Mg含量，但當Mg含量高(>3 wt.%)時，它容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂(SCC)。同時優(yōu)化鋁鎂合金的強度和抗SCC性能是一項具有挑戰(zhàn)性的工作。本研究介紹了一種通過動態(tài)塑性變形和優(yōu)化退火，提高強度和抗SCC性能的納米Al-10Mg (10wt .%)合金。變形后的樣品呈現(xiàn)納米級片層結(jié)構(gòu)。隨著退火溫度的升高，合金的組織尺寸增大，位錯密度減小，由片層晶向等軸晶轉(zhuǎn)變。250℃退火的納米Al-10Mg合金表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能，敏化狀態(tài)下的SCC敏感性降低。高比例的低角度晶界與降低位錯密度可以有效抑制晶界析出相(GBPs)在敏化過程中的形核和生長，從而保持相對較低的GBPs覆蓋率。研究結(jié)果為設(shè)計高Mg含量、高強度的鋁鎂合金提供了指導(dǎo)。
鋁鎂合金系列具有中等強度的特性，廣泛應(yīng)用于汽車、船舶和建筑行業(yè)。強化這些合金通常通過冷變形和增加鎂含量來實現(xiàn)。然而，通過提高鎂含量來提高Al-Mg合金的強度面臨著顯著的挑戰(zhàn)。當Mg含量超過3wt .%時，在50 ~ 220℃的高溫下，Mg的過飽和會導(dǎo)致沿晶界的β相分解和形成。這種情況下容易發(fā)生嚴重的晶間應(yīng)力腐蝕開裂(IGSCC)。
大量的研究表明，晶界相在高強度Al-Mg合金應(yīng)力腐蝕開裂(SCC)敏感性中的關(guān)鍵作用。對嚴重IGSCC的易感性與沿GBs持續(xù)存在的活性β相有關(guān)，β相容易優(yōu)先溶解。來自Pickens等人的實驗證據(jù)表明，當A5083合金在150℃下暴露72 h時，沿GBs形成半連續(xù)的膜狀β相。Mg含量的增加和時效時間的延長使β相顆粒之間的間距減小，使這一問題更加嚴重。Yukawa等人觀察到，在150℃下時效100 h后，al - 9mol .% Mg合金沿GBs形成了連續(xù)的β相層。此外，不連續(xù)的GBPs的溶解會導(dǎo)致裂紋尖端溶液酸化，從而促進原子氫的產(chǎn)生，并可能引發(fā)合金的氫脆。因此，有效控制GBPs是提高高強度Al-Mg合金抗SCC性能的關(guān)鍵。
提高鋁鎂合金抗SCC性能的策略已經(jīng)得到了廣泛的研究。其中一個策略是在最佳溫度下進行熱處理，這可以降低敏化Al-Mg合金的SCC敏感性。Kramer等人表明，將敏化的AA5456-H116樣品再次暴露在240 - 280°C的溫度下10分鐘，通過溶解GBPs有效地逆轉(zhuǎn)敏化。然而，值得注意的是，雖然這種補救性熱處理減輕了SCC的敏感性，但也可能導(dǎo)致合金強度的降低。另一種提高抗SCC能力的方法是在Al-Mg合金中加入微量元素。已知微量元素如Sr、Nd和Zn會干擾GBPs的連續(xù)性，從而增強Al-Mg合金的耐敏化性。然而，這種方法并不能同時導(dǎo)致強度的顯著增強。最近，Zhang等人通過循環(huán)塑性引入高密度的Mg-Al團簇，提高了5083樣品的強度。這一過程有效地延緩了70℃下GBPs的形成，從而提高了耐腐蝕性。盡管如此，在這種情況下，延長老化處理或較高的老化溫度可能導(dǎo)致致敏。
塑性變形方法被廣泛應(yīng)用于通過晶粒細化來改善Al-Mg合金的力學(xué)性能。然而，隨著晶粒尺寸的減小，特別是在納米尺度上，GBs的比例增加，這可能促進高角晶界(HAGBs)析出相的成核和生長，從而潛在地降低SCC阻力。然而，由于低界面能和低擴散系數(shù)，低角度晶界已被證明可以顯著抑制β相的析出。因此，目前的挑戰(zhàn)在于如何制備高比例的lagb。我們之前的研究表明，在Al-5Mg合金中引入高比例的lagb可以通過動態(tài)塑性變形(DPD)來實現(xiàn)。納米結(jié)構(gòu)(NS) Al-5Mg和Al-5Mg- 3zn樣品在高應(yīng)變條件下產(chǎn)生超過70%的lagb[36,37]。這些敏化的NS Al-Mg合金表現(xiàn)出優(yōu)異的抗SCC性能和相對較高的屈服強度，因為在退火處理后，保持了高比例的lagb，抑制了GBPs的形成。雖然目前的策略已被證明對Mg含量為5 wt.%的Al-Mg合金有效，但其對Mg含量更高的合金的適用性仍不確定。此外，退火處理可以降低位錯密度，但也可能導(dǎo)致微觀組織的變化，包括晶粒尺寸的改變和晶界取向的錯誤，對SCC抗性有復(fù)雜的影響。因此，實現(xiàn)高Mg含量Al-Mg合金的強度和抗SCC性能的同時增強仍然是一個重大挑戰(zhàn)。
在本研究中，通過DPD和退火方法對NS Al-10Mg合金進行了加工，主要是為了了解其顯微組織演變以及與強度和抗SCC性能相關(guān)的性能。結(jié)果表明，經(jīng)250℃退火的NS Al-10Mg合金具有較高的抗拉強度和良好的抗SCC性能。
相關(guān)研究成果以“Enhancing strength and stress corrosion cracking resistance in high-Mg Al-Mg alloys through nanostructuring and controlled annealing”發(fā)表在Journal of Materials Science & Technology上。
鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1005030224010685
圖1所示。CG Al-10Mg樣品的表征。(a)反極圖z (IPFz)圖，(b)晶粒尺寸分布，(c)錯取向角分布。
圖2所示。AD樣品的表征。(a)亮場TEM圖像，(b)邊界間距分布，(c)錯取向角分布，(d) IPFz圖與對應(yīng)的GB圖。
圖3所示。不同退火溫度下AD試樣維氏硬度的演變。
圖4所示。對應(yīng)EDS映射的HAADF-STEM圖像和(a-c) A230、(d-f) A250和(g-i) A290的邊界間距分布。
圖5所示。不同溫度退火后的NS Al-10Mg樣品中的GND分布。(a) AD, (b) 230℃，(C) 250℃，(d) 290℃。
圖6所示。退火后NS Al-10Mg的表征。(a, b) A230, (c, d) A250和(e, f) A290的IPFz圖和取向角分布。
表1。退火后NS樣品的LAGB分數(shù)和LGBBC
圖7所示。敏化Al-10Mg合金的表征。(a) S-CG樣品的HAADF-STEM圖像，(b)顯示晶界析出物的HRTEM圖像，(c) (a)中相應(yīng)區(qū)域的EDS圖，(d) (c)中白色箭頭所示的Al和Mg在析出物上的濃度分布圖。
圖8所示。HAADF-STEM圖像耦合EDS映射和不同溫度退火后敏化Al-10Mg合金樣品的晶界間距分布。(a-c)為變形態(tài)(S-AD)， (d-f)為230℃退火(AS230)， (g-i)為250℃退火(AS250)， (j- 1)為290℃退火(AS290)。
圖9所示。(a) S-AD, (b) AS230, (c) AS250和(d) AS290樣品的矩陣與GBPs界面的HRTEM圖像。
圖10所示。敏化的NS Al-10Mg合金樣品在不同溫度下退火后的表征。(a, b) S-AD, (c, d) AS230, (e, f) AS250和(g, h) AS290的IPFz圖和取向角分布。
表2。敏化NS樣品的LAGB分數(shù)和LGBBC
圖11所示。詳細說明LGBBC統(tǒng)計分析的示意圖。(a)初始方向映射與gb映射，包括空洞;(b)精細方向映射與gb映射，不包括空洞。
圖12所示。S-CG、S-AD、AS230、AS250和AS290在空氣和3.5 wt.% NaCl溶液中應(yīng)變速率為1?×?10-6 s-1時的典型SSRT曲線。
表3。致敏樣品SSRT試驗結(jié)果總結(jié)
圖13所示。SSRT后S-CG、S-AD、AS230、AS250、AS290斷口的SEM圖像。(a)在空氣中測試S-CG， (b)在溶液中測試S-CG， (c)在空氣中測試S-AD， (d)在溶液中測試S-AD， (e)在空氣中測試AS230， (f)在溶液中測試AS230， (g)在空氣中測試AS250， (h)在溶液中測試AS250， (i)在空氣中測試AS290， (j)在溶液中測試AS290。
圖14所示。敏化CG Al-10Mg、敏化NS Al-10Mg合金、敏化NS Al-5Mg (pH 3溶液)、敏化NS Al-5Mg- 3zn (pH 3溶液)和典型敏化5xxx合金在中性NaCl溶液中的SCC抗性與UTS的比較。
表4。不同敏化NS合金強度貢獻的比較
圖15所示。(a)退火和敏化NS樣品中的LGBBC， (b)敏化NS樣品中LGBBC與SCC敏感性之間的關(guān)系。
本研究介紹了納米結(jié)構(gòu)Al-10Mg (wt.%)合金的研究進展，該合金具有增強的強度和抗SCC性能。采用DPD再退火的方法，制備了具有精細組織的合金。隨著退火溫度的升高，晶粒結(jié)構(gòu)由拉長晶片轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶，并伴有位錯密度的降低。納米合金表現(xiàn)出優(yōu)異的屈服強度和塑性，主要是由于晶界強化和固溶強化。退火處理對變形態(tài)Al-10Mg合金中的LGBBC有顯著影響，這是增強抗SCC性能的重要步驟。TEM觀察和SSRT測試表明，由于GBPs的持續(xù)覆蓋，傳統(tǒng)敏化的樣品對SCC非常敏感，而AS250合金的LGBBC減少，在保持高強度和塑性的同時，顯著提高了抗SCC能力。這些發(fā)現(xiàn)為提高鎂含量鋁鎂合金的強度和抗SCC能力提供了策略途徑。
聲明：
“中科院金屬所《JMST》：通過納米化和可控退火技術(shù)提高高鎂鋁鎂合金的強度和抗應(yīng)力腐蝕開裂性能” 該技術(shù)專利(論文)所有權(quán)利歸屬于技術(shù)(論文)所有人。僅供學(xué)習(xí)研究，如用于商業(yè)用途，請聯(lián)系該技術(shù)所有人。
我是此專利(論文)的發(fā)明人(作者)
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編輯：中冶有色技術(shù)網(wǎng)
來源：中科院金屬所
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2025年03月28日 ~ 30日 
