铸态条件下的钛合金 微合金化调控铸态Al-Mg-Si-Cu合金的强塑性

编辑推荐：本文详细定量地介绍了铸态中改变Ge和Sb的含量后各种二次相的强化效果，首次得到了Al-Mg-Si-Cu合金。通过凝固实验、多机制模型和第一性原理计算，从变形、脆化和强化机理阐述了三种典型的强度-塑性权衡关系。微合金改性强度-塑性权衡与其特殊的微观结构密切相关。改性合金强度的提高是通过改性细小析出相来实现的，包括Mg2Si (β)、Al4Cu2Mg8Si7 (Q)、Al2Cu (θ)、(Ge, Si)颗粒和纳米Si颗粒等。另一方面，改性合金的塑性下降是由二次相决定的。这项工作将有助于为微合金化工程开辟一条途径，有可能绕过强度和塑性之间常见的负相关关系。

大多数提高强度的冶金机制都会不可避免地导致塑性损失，金属材料的强度和塑性通常是负相关的，称为所谓的“强度-塑性权衡”困境，铝合金也是如此。通过比较改性合金与母材的屈服强度(YS)和总断裂应变(StF)，可以实现三种典型的强度-塑性权衡：强度略有增加，塑性明显下降；强度适度增加，塑性相应降低；强度大大增加，塑性适度下降。然而，更好地利用二次相组合解释强度-塑性权衡关系的研究还相当少。

为此，来自西工大的研究人员采用铸态Al-Mg-Si-Cu合金作为基材，为了生产具有不同二次相组合的材料，分别添加了Ge和Sb。全面、系统地研究了三种典型的强度-塑性权衡性。并在此基础上，利用第一性原理计算和多机制模型对改性合金的变形、脆化和强化机理进行了分析和讨论。相关论文以题“Microalloying-modulated strength-ductility trade-offs in as-cast Al–Mg–Si–Cu alloys”发表在MSEA。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.msea.2022.143897

图1微合金改性铸态铝合金强度和塑性之间相关性的数据统计:(a)强度和塑性同时增加;(b)牺牲塑性增加强度

对于同时增加强度和延展性的情况，改性合金的StF可以增加到基体合金的五倍，而改性合金的YS几乎不能达到基础合金的两倍。对于强度随着塑性损失而增加的情况，StF与YS呈线性负相关。因此，对于相同的微合金系统，较大的YS增加通常伴随着更大的StF递减。

图2 合金的力学性能:(a)拉伸时的真应力-应变曲线，(b)压缩时的工程应力-应变曲线，(c)压缩时的真应力-应变曲线，(d)拉伸和压缩时的YS和拉伸时的StF。

图3 强化机理的定量估计与实验的YS 。σp，σg，σs和σi分别表示二次相、GBs、固溶体原子和纯Al的强度增量

通过上述多种强化机制模型的计算，可以得到各种机制对强度的贡献值。预测值与实验值之间的偏差可能来自于数据的统计偏差和多机制模型本身的有限精度。强度增加主要来自二次相强化，占总强度的72.9 ~ 81.9%。固溶强化占总强化量的6.5~8.7%。与GBs(1.8-2.5%)一样，固溶原子对强度改性的影响可以忽略不计。仔细观察发现，粗大的初生相对强度的影响也不大。增加粗初生相体积分数或减小粗初生相尺寸，强度增加不超过1.0 MPa。在强烈的对比中，改变细析出相形状(类型)、粒度和比例，强度变化更为明显。因此，典型强度-塑性权衡的M1、M2和M3合金强度的增加主要来自于改性后的细析出相。

图4 微合金改性强度-塑性权衡示意图

典型强度-塑性权衡改性合金的脆化是由粗初级相的尺寸和体积分数的增加决定的。然而，合金强度的增加来自于改性后细析出相。对于M0合金，片状β相、针状Q相和纳米Si颗粒强化析出相的强化作用近似相等。由于改性合金的StF下降几乎是相同的水平，约为42%，M1合金、M2合金和M3合金的不同强度-延性权衡应归因于它们对细析出相的不同强化效果。

本文研究了铸态Al-Mg-Si-Cu合金中Ge和Sb的微合金化所产生的三种典型的强度-塑性权衡行为。发现Ge和Sb的微合金化显著提高了铸态Al-0.8Mg-1.0Si-0.5Cu合金的强度。通过引入一种新的强度和塑性变化尺度的表示方法，实现了3种典型的强度-塑性权衡关系。微合金的强度-塑性权衡与其特殊的微观结构密切相关，通过改变细析出相的类型、尺寸和比例来调节不同强度-塑性权衡。（文：晓太阳）

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