近日，材料領(lǐng)域國(guó)際期刊《Materials Research Letters》刊登鎂合金表面強(qiáng)化領(lǐng)域研究論文“Significantly extending the gradient layer and mechanical properties of Mg alloys by texture optimization”，論文第一作者為江西省科學(xué)院管博博士，論文共同作者為：江西省科學(xué)院徐敬博士（通訊作者）、胡強(qiáng)研究員，南京工業(yè)大學(xué)信運(yùn)昌教授（通訊作者）、研究生緒世媛，湖州師范學(xué)院李曉博士（通訊作者），重慶大學(xué)符銳博士，華東理工大學(xué)賈云飛教授。江西省科學(xué)院應(yīng)用物理研究所為論文第一通訊單位。

01 全文速覽

增加金屬材料表面強(qiáng)化層的厚度以及硬度可以顯著提升強(qiáng)韌性，目前已報(bào)道的鎂合金表面強(qiáng)化層厚度通常小于700 μm。本文采用超聲表面滾壓工藝（USRP）在AZ31熱軋板上制備梯度層。通過將USRP下壓方向平行與軋制板材晶粒c軸轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪庇诰Я軸，在140N靜壓力作用下獲得的梯度層厚度從約500 μm提升至2000 μm。此方法使板材軋制方向拉伸時(shí)梯度層的強(qiáng)化效果提升一倍，同時(shí)保持了材料延展性。進(jìn)一步研究表明，通過調(diào)控初始織構(gòu)來擴(kuò)展梯度層厚度與大量{10-12}孿晶的激活密切相關(guān)。

02 背景介紹

在材料內(nèi)部構(gòu)建具有納米級(jí)晶粒表層和微米級(jí)晶粒芯部的空間梯度微觀結(jié)構(gòu)，可有效規(guī)避強(qiáng)度-塑性倒置問題，這歸因于微觀結(jié)構(gòu)從微米尺度到納米尺度的漸進(jìn)塑性屈服。目前，包括超聲表面滾壓、表面機(jī)械噴丸處理和表面機(jī)械研磨處理等在內(nèi)的多種表面強(qiáng)化技術(shù)已被用于制備梯度結(jié)構(gòu)層。

獲得更厚梯度層并提升其顯微硬度極值能有效增強(qiáng)表面強(qiáng)化材料的力學(xué)性能。梯度微觀結(jié)構(gòu)及其力學(xué)行為取決于加工參數(shù)和材料本征特性。對(duì)于相同材料，采用不同表面強(qiáng)化方法時(shí)，更高載荷或更長(zhǎng)處理時(shí)間通常有助于形成更厚梯度層。初始晶粒尺寸、層錯(cuò)能和合金元素對(duì)梯度層力學(xué)性能及微觀結(jié)構(gòu)的影響已得到廣泛研究。通常，梯度層的最大顯微硬度主要取決于化學(xué)成分，而梯度層厚度則主要取決于微觀結(jié)構(gòu)的加工硬化能力和強(qiáng)度。

在多晶材料中，織構(gòu)對(duì)力學(xué)性能（如屈服強(qiáng)度、延伸率和應(yīng)變硬化行為）具有顯著影響。對(duì)于六方密排（hcp）結(jié)構(gòu)的鎂合金而言，這種影響與加載過程中激活的變形模式密切相關(guān)。hcp金屬主要存在三種滑移模式：基面滑移、柱面滑移和錐面 滑移。此外，{10-12}孿生是協(xié)調(diào)塑性變形的重要機(jī)制。鎂合金中基面滑移的臨界分切應(yīng)力最低；在特定加載路徑或具有特定織構(gòu)組分的樣品中，柱面滑移和{10-12}孿生也可能成為主導(dǎo)變形模式。例如，對(duì)于具有強(qiáng)基面織構(gòu)的軋制板材，沿法向（ND）壓縮時(shí)基面滑移占主導(dǎo)，而沿橫向（TD）壓縮時(shí)則發(fā)生{10-12}孿生。

常用表面強(qiáng)化方法中，垂直于處理表面的壓應(yīng)力是引發(fā)表層塑性變形的重要應(yīng)力分量。因此，鎂合金在表面強(qiáng)化過程中的塑性變形模式會(huì)隨加載路徑或織構(gòu)組分發(fā)生變化。然而迄今為止，織構(gòu)對(duì)梯度層微觀結(jié)構(gòu)的影響及其對(duì)鎂合金和其他hcp結(jié)構(gòu)鈦/鋯合金力學(xué)性能的作用機(jī)制仍不明確。

03 本文亮點(diǎn)

本文采用具有強(qiáng)基面織構(gòu)的AZ31鎂合金作為研究對(duì)象。表面超聲滾壓過程中采用兩種不同的加工路徑進(jìn)行處理：使加工平面分別垂直于軋制法向（ND）或橫向（TD）。為便于表述，將這兩種加工路徑處理的樣品分別稱為"ND滾壓"和"TD滾壓"。在這兩種路徑下，壓應(yīng)力方向與晶粒c軸的取向關(guān)系存在顯著差異—ND滾壓時(shí)壓應(yīng)力方向與大多數(shù)晶粒的c軸平行，而TD滾壓時(shí)則與c軸垂直。微觀結(jié)構(gòu)表征發(fā)現(xiàn)，在140 N的下壓力條件下，ND滾壓后的表面強(qiáng)化層的厚度約為500 μm，而TD滾壓時(shí)，表面強(qiáng)化層的厚度超過2000 μm，顯著高于已報(bào)道的鎂合金表面強(qiáng)化層厚度。進(jìn)一步力學(xué)性能測(cè)試發(fā)現(xiàn)，與ND滾壓相比，TD滾壓后鎂合金強(qiáng)度更高，且沒有損失塑性。

04 圖文解析

圖1. AZ31鎂合金板材初始微觀結(jié)構(gòu)：（a）反極圖（IPF）；（b）圖（a）對(duì)應(yīng)的極圖；（c）晶粒尺寸分布；（d）超聲表面滾壓（USRP）工藝示意圖；（e）兩種加工路徑示意圖。

圖2. AZ31鎂合金板材在140N靜壓力USRP處理后的微觀結(jié)構(gòu):（a）和（g）樣品橫截面SEM圖像；（b）和（h）距表面約50 μm深度處的明場(chǎng)TEM圖像；（c）和（i）分別為（b）和（h）對(duì)應(yīng)的晶粒尺寸分布；（d）和（j）距表面約300 μm深度處的電子通道襯度（ECC）圖像；（e）、（k）、（f）和（l）分別為TD滾壓和ND滾壓樣品在1000-1500 μm和1500-2000 μm深度處的EBSD界面圖，其中紅色標(biāo)記為{10-12}孿晶界。

圖3. 鎂合金AZ31板材在ND滾壓與TD滾壓過程中梯度結(jié)構(gòu)演變示意圖（加載力分別為28N、84N和140N）。圖中紅色標(biāo)記表示{10-12}孿晶界。

圖4 梯度結(jié)構(gòu)鎂合金板材的力學(xué)性能：(a) ND滾壓樣品性能；(b) TD滾壓樣品性能；(c) 屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度與延伸率對(duì)比；(d) 織構(gòu)調(diào)控對(duì)強(qiáng)塑協(xié)同效應(yīng)的影響。

05 總結(jié)

本研究對(duì)AZ31鎂合金熱軋板材采用兩種不同路徑的超聲表面滾壓（USRP）處理。通過將初始織構(gòu)從晶粒c軸平行于USRP下壓方向（ND滾壓）調(diào)整為晶粒c軸垂直于USRP下壓方向（TD滾壓），TD滾壓制備的梯度層厚度可達(dá)約2000 μm，顯著高于ND滾壓獲得的梯度層厚度，約500 μm。更重要的是，TD滾壓能激活大量{10
2}孿生，使得在遠(yuǎn)離表面、塑性應(yīng)變極低的區(qū)域也能產(chǎn)生大量孿晶。在保持材料延展性的前提下，TD滾壓的強(qiáng)化效果達(dá)到ND滾壓的近兩倍。

06 引用本文

Bo Guan, Jing Xu, Rui Fu, Shiyuan Xu, Xiao Li, Yunfei Jia, Qiang Hu, Yunchang Xin (07 Jun 2025): Significantly extending the gradient layer and mechanical properties of Mg alloys by texture optimization, Materials Research Letters, DOI: 10.1080/21663831.2025.2514772

本文來自材料科學(xué)與工程公眾號(hào)，感謝論文作者團(tuán)隊(duì)支持。

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