导读:合金复合材料的异质结构，包括具有显着不同的本构性质的异质域，具有显着的潜力，以扩大材料设计系统的领域，并解决强度和韧性之间的权衡。本文介绍了一种在非热处理Al-2.5%Mg合金中制备梯度伪沉淀异质结构（GPHS）的材料设计方法。利用低成本低碳钢作为扩散源和保护层，这种异质结构是通过无销摩擦搅拌辅助循环局部变形过程实现的。外源Fe原子通过摩擦搅拌诱导的热传导在界面扩散，在Al合金基体中形成Fe-Al第二相粒子。一个快速的相互扩散机制与密集的位错壁，晶界和亚结构一起被激活，导致伪沉淀物的形成。这些伪析出物最终以梯度分布分散在由局部增量变形引起的Al合金基体的整个厚度中。GPHS处理的Al-2.5%Mg合金表现出强度和塑性的增强的协同作用，其中均匀延伸率从11%增加到21.2%，同时保持强度。多种强化和硬化机制，如固溶强化、位错硬化和第二相强化，协同工作以提高机械性能。值得注意的是，硬伪析出物和软铝合金基体之间的异质变形引起额外的应变硬化，导致高延展性。这项工作为设计和制造具有先进异质结构的高性能合金，特别是不可热处理的合金提供了一个新的视角。

铝合金由于其高的比强度、优异的耐腐蚀性、减震能力、显著的延性断裂韧性和良好的成形性而广泛应用于航空航天、汽车和建筑工业。尽管有这些优点，但铝合金遭受相对强度—延展性的困境，这限制了它们的性能，特别是当与其他高强度金属材料如先进钢，镍基合金和高/中熵合金相比时。冶金科学和工程界已经努力提高不可热处理的强化Al合金（例如5xxx Al—2.5%Mg合金）的机械性能。通过各种技术制造的晶粒细化或引入外部硬增强颗粒等解决方案已被证明是有效的，特别是对于通过摩擦搅拌处理的合金或金属基复合材料。然而，这些解决方案仅依赖于晶界强化、位错硬化或第二相强化的机制，这通常以延展性或强度为代价。后热处理可以恢复韧性，但强度由于热不稳定性再次下降。因此，传统的强度—塑性平衡对于不可热处理的强化5xxx铝合金仍然是一个挑战。

为了缓解甚至克服这种困境，定制异质微观结构，而不仅仅是细化同质微观结构，可以提供一种实现综合机械性能的可行方法。近几十年来，通过各种创新途径，包括机械性能显著变化的异质域，异质结构材料得到了热烈的发展。合成的异质结构（HS）可以分为结构和功能类别。在广泛的结构HS中，具有属性变化的空间梯度HS特别吸引人，其灵感来自生物材料的梯度结构。它们通常包括组成梯度和/或结构梯度。这些空间梯度异质结构的设计原理是基于在这些异质区的操作中的差异晶粒细化、硬沉淀物、相变、相互扩散和界面物理化学反应的潜在机制。化学不均匀性还可以导致与其同质对应物相比具有上级机械性能以及功能性。从位错行为的角度研究了空间梯度HS的变形机制。由于软、硬畴之间的非均匀变形响应，在畴界面内诱导几何必要位错（GND）以适应应变不相容。因此，这些GND会产生长程异质变形诱导（HDI）应力，即硬畴处的背应力和软畴处的正应力。HDI应力可以通过提供额外的应变硬化能力来增加屈服强度并保持延展性。

异质结构Al合金基材料，特别是那些对应于双峰或三峰系统的材料，由于其增强机械性能的潜力而引起了人们的关注。考虑到材料设计、制造和变形机制等方面，通过调整微观结构并结合成分梯度，可以潜在地实现5 xxx Al合金的所需协同机械性能。将外部硬纳米/微米第二相颗粒嵌入Al合金基体作为增强成分的策略可以通过摩擦搅拌处理来实现。实例包括掺杂的Fe 或Ti合金颗粒和石墨烯纳米复合材料。在这些情况下，术语“假沉淀物”似乎更适合代表外源性强化资源，其不同于其基质中的内部化学成分。然而，牺牲延展性或强度仍然是基于FSP的掺杂Al合金的设计和制造途径的限制。关于梯度复合异质结构的机械性能的研究很少，除了成分梯度300 M钢的情况。

在本研究中，上海交通大学安大勇教授团队联合韩国浦项科技大学、长沙理工大学引入了一种新颖的设计理念，在不可热处理的 Al-2.5%Mg 合金中合成可调梯度赝沉淀异质结构 (GPHS)。所设计的GPHS是通过自主开发的无销搅拌摩擦辅助循环局部变形（FS-CLD）工艺实现的。该工艺结合了无销搅拌摩擦加工引起的热传导和增量板材成形技术引起的局部压缩拉伸变形。该策略不同于依赖随机第二相/沉淀物或动态再结晶 (DRX) 的传统技术。外源 Fe 元素扩散源被纳入铝合金基体中，产生梯度富铁沉淀物。这些第二相粒子被称为伪沉淀物，以区别于本征沉淀物。与原样和退火状态的 5052 铝合金相比，GPHSed 铝合金由于其 HDI 强化和应变硬化效应，在不影响强度的情况下实现了高延展性。这项工作对于先进结构材料、薄壁产品或集成制造的制备具有重要意义。这些发现还促进了异质微观结构的设计和具有无与伦比的强度-延展性-轻量化性能的合金异质结构的先进制造，特别是对于不可热处理的强化合金。

相关研究成果以“Enhanced strength-ductility synergy in a gradient pseudo-precipitates heterostructured Al-2.5%Mg alloy: Design, fabrication, and deformation mechanism”发表在Journal of Materials Science & Technology上

链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1005030224002809?via%3Dihub

图1 (a1)配置无销FS-CLD工艺，突出严重塑性变形诱导快速扩散的特征（钢层）和增量板变形（a2）示出具有第二相颗粒、部分DRX晶粒和粗晶粒的GPHS的制造的示意图;（b）涉及四个阶段的工艺的实例：UHA、FSP、LPD和DHA适用于截头圆锥形零件。CS-样品和TD-样品分别表示横截面表征样品和拉伸变形样品。

图 2 无引脚 FS-CLD 工艺后的典型 GHPSed 5052

图 3 GPHSed 铝合金不同深度的 TEM 观察结果：

图4 GPHSed 5052 实现了增强的强度-延展性协同作用：

图 8 GPHSed 5052 的微观结构演变：(a1-a4)变形变形状态和 KAM 分布的描述（未标记的黑色比例尺代表 40 μm）；  (b) LAGB 分数和 KAM 值在整个过程中的演变。

图 9 铝合金中 GPHS 各阶段形成机制概述

图 10 5052 铝合金在 GPHSed、收到状态和退火状态下的拉伸变形响应

图 11 GPHSed 5052 样品在拉伸变形过程中的微观结构演变。

在这项工作中，引入了一种新颖的制造策略，称为无销搅拌摩擦辅助循环局部变形 (FS-CLD)，用于在商用 5052 铝合金层中制造 GPHS。  GPHSed 5052 表现出增强的强度和延展性协同作用。根据我们的发现，得出一些结论如下：

在 Fe-Al GPHS 形成过程中，假沉淀物在四个阶段经历了明显的变化。在初始 UHA-FSP 阶段，剪切应力将细小的富铁碎片引入铝合金基体中，作为铁原子扩散和伪沉淀成核位点的来源。在随后的 LPD-DHA 阶段，在热机械条件下，界面 Fe-Al 金属间层、位错单元和晶界激活快速原子扩散。因此，假沉淀物（即θ (Fe₄ Al₁₃) 相和η (Fe₂ Al₅) 相）在铝合金基体中形核、生长并重新分布，并具有梯度分散特征。

与之前的研究相比，Fe-Al GPHSed 5052铝合金表现出增强的协同力学性能，屈服强度为178 MPa，均匀伸长率为21.2%。与原样 5052 和退火态 5052 对应物相比，更高的 HDI 强化和应变硬化效果主要增强了强度和延展性，超过了沉淀强化和位错硬化的次要贡献。  GPHS 中的 HDI 效应源于基体和赝析出物中软/硬域的边界相互作用，这促进了拉伸应变期间累积位错的能力，导致 GND 堆积和重新分布。

目前的工作可以为通过部署 GPHS 实现不可热处理强化金属材料的卓越机械性能提供新的见解。这种制造策略对于通过局部调整变形微观结构来制造工程应用的复杂薄壁零件也很有效。可以使用改进的双面无针 FS-CLD 工艺、进行进一步的研究，在 5052 铝合金层的两侧制造 GPHS，该工艺具有获得更高加工硬化能力并提高强度的潜力。