异质层状复合板的基体组织、性能及结合界面结构演变受到较多工艺条件影响，其中，成形温度是决定Mg/Al复合板成形质量的一个重要因素。温度过低会导致复合板结合强度较差，造成边裂等缺陷；温度过高时晶粒受热长大且易导致产生大量脆性相，从而影响复合板结合质量。

综上所述，哈尔滨理工大学李峰教授团队提出了一种新型的衬板累积叠轧的工艺方法。揭示了不同成形温度对Mg/Al异质复合板基体组织演变和界面结构结合及力学性能的重要影响。相关研究成果以“Synergistic mechanism of strengthening and toughening of tissue regulation response to Mg/Al composite laminates by hard plate accumulative roll bonding”发表在Materials Science＆ Engineering A上。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0921509324000364

本实验采用衬板叠轧法成形制造了Mg/Al复合板材。由于变形量过大，在累积叠轧过程中易产生加工硬化和残余应力从而影响板材使用质量，而衬板的存在起到改变复合板轧制过程中受力状态的作用，且对板材表面起到一定的保护作用，弥补传统叠轧的工艺缺陷。衬板叠轧Mg/Al复合板工艺流程如图1所示。

图1衬板累积叠轧工艺示意图。

Mg/Al叠轧板在复合连接过程中两侧金属协同变形，界面结合形貌直接影响复合板的力学性能且中间层的生长速度对温度十分敏感，为此采用扫描电镜对不同温度下复合板连接部位界面形貌的变化进行了分析，如图2所示。

图2不同成形温度下的界面形貌和线扫描图像:(a) 250 ℃，(b) 300 ℃，(c)350 ℃，(d) 400 ℃。

在叠轧过程中，由于累积应变材料中引入大量位错，可能导致内应力集中和加工硬化，对材料的强化起到了一定的作用；基面滑移与非基面滑移的开启程度对复合板的延伸率也有较大影响。不同成形温度下Mg/Al复合板的工程应力应变曲线，如图3所示。

图3力学性能测试:(a)工程应力和工程应变曲线，(b)力学性能抗拉强度和伸长率。

随着成形温度的增加，复合板抗拉强度及延伸率均呈现增大趋势且在350℃达到峰值，由于本实验采用衬板下累积叠轧成形Mg/Al复合板，Mg层均发生了不同程度的再结晶。250℃的成形温度使Mg层发生了部分再结晶，此时复合板抗拉强度、延伸率仅为212.1Mpa、9.93%，成型质量较差。300℃时复合板抗拉强度为222.7Mpa，延伸率为12.4%，虽然再结晶并未完全，但是位错大量消失，位错密度降低的同时累积变形产生的储存能得到释放，内应力降低，因此塑性有所提升，强度也未下降。继续提高温度，此时Mg合金再结晶完全，晶粒大小最为均匀，大角度晶粒湮灭大量位错，可动位错的位错源减少，此时位错源的湮灭达到峰值，位错密度较低，非基面滑移的开启有利于协调各个方向的应力，因而强度和塑性都得到提升。400℃时Mg层晶粒已经开始长大，出现应力集中情况，且金属间化合物层厚增加导致塑性较差，值得注意的是强度并未降低。

不及同成形温度下金属材料晶粒尺寸会明显改变，晶粒取向也会发生变化，晶粒取向变化会引起力学性能的变化。图4给出了不同条件下的取向差角以LAGBs、MAGBs、HAGBs的比例，绿色线条为低角度晶界，红色线条为中角度晶界，黑色线条代表高角度晶界。

图4晶界角度:(a)-(d)表示不同温度下镁基体的晶界特征，(e)-(h)是取向差角度分布图。

异质复合板大塑性变形过程中，晶体滑移系的开启至关重要，非基面滑移系的开启可提升Mg合金塑性变形能力，图5为不同成形温度下衬板叠轧Mg/Al复合板Mg基体的施密特因子，在直方图中展示了基面滑移与非基面滑移的SF值。

图5施密特因子:(a)-(d)不同成型温度下的施密特因子分布比较，(e)-(h)各种滑移系的SF值。

主要研究成果如下：

（1）研究结果表明，Mg/Al复合板无气孔、裂纹及分层等缺陷产生，界面结合质量较好，仅在温度较低时出现局部颈缩，350℃时复合板性能最佳，抗拉强度可达243MPa，延伸率为14.7%，断口表面分布大量撕裂棱及韧窝，Mg、Al层单独断裂被抑制，仍然保持紧密结合状态；

（2）温度对衬板叠轧成形Mg/Al复合板基体组织及力学性能的影响较为重要，350℃时Mg板组织具有较高的基面滑移Schmid因子，且柱面、锥面滑移被开启，小角度晶界通过捕获位错增大取向差，演变成大角度晶界，位错密度降低，动态再结晶基本完成，晶粒尺寸较为均匀；

（3）不同条件下界面处均发生一定程度的扩散，扩散层厚度随温度上升逐渐增加，金属间化合物的生长速率对温度十分敏感，随着温度升高，轧前预热所激活的Mg和Al原子在层间转移速率加快，过渡层由Mg/Al固溶体转为金属间化合物。