金屬頂刊《ACTA》：首次發現！新型鎂合金，強度堪比低碳鋼

導讀：本文採用低成本雙輥鑄造工藝生產的Mg-1.3Al-0.8Zn-0.7Mn-0.5Ca(wt.%) (AZMX1110) 合金薄板在T4固溶處理條件下，室溫下可成形性好。該合金在170℃處有快速時效硬化反應，導致流動應力在20分鐘內由198 MPa顯著增加到238 MPa。這樣的烘烤硬化性(BH)在鎂合金中從未被探索過，可與目前用於製造汽車車身的低碳鋼和中等強度鋁合金相媲美。通過透射電子顯微鏡和原子探針層析成像(TEM-APT)對烘烤硬化試樣的微觀結構進行了表徵，發現Al、Zn和Ca原子析出到基底<<a>>位錯處，並通過釘扎位錯的運動促進了合金強化，同時這些原子也會聚集。這些首次採用普遍存在的低價元素製備的，該BH Mg薄板合金應用於汽車車身是非常有吸引力的。

低碳鋼和6000系列鋁(Al)合金是用於汽車車身面板的主要材料，因為它們在衝壓成型操作中表現出優異的成形性和烘烤硬化性。近年來，為了滿足日益增長的減重需求，使用更輕的結構材料已成為汽車工業的必然要求。鎂(Mg)作為最輕的結構金屬，在汽車車身上的潛在應用已引起廣泛關注。然而，較差的室溫力學性能和高的加工成本阻礙了工業加工Mg合金薄板的廣泛應用，如Mg-3Al-1Zn-0.3Mn (wt.%) (AZ31)和Mg-1Zn-0.2Ce (wt.%) (ZE10)。AZ31合金片材屈服強度約為200MPa，足以作為汽車車身片材。然而，由於在熱機械加工過程中產生的強(0002)晶體結構，其Erichsen(I.E.)值(拉伸成形性的指標)小於4mm，低於汽車車身面板衝壓所需的值。相比之下，ZE10合金薄板的結晶織構較弱，因此晶體織構值要高得多，約為8-9mm，可與6000系列鋁合金薄板相媲美。然而，成形性的改善需要顯著犧牲屈服強度，這被稱為「強度-成形性權衡困境」。為了促進鎂合金在汽車工業中的應用，開發高強度、低成本的可鍛壓鎂合金是十分必要的。

一般來說，固溶(T4)處理的合金板材由於塑性變形組織的恢復和再結晶而表現出較低的屈服強度；因此，在晶體織構減弱的情況下，它們可以提供良好的成形性，這在ZE10合金中得到了證明。儘管傳統的加工鎂合金不表現出明顯的時效硬化反應，但成分優化的鎂合金的屈服強度可以通過人工時效得到顯著提高。因此，開發具有優良RT可成形性和快速時效淬透性的可熱處理鎂合金是解決鎂合金強度可成形性權衡問題的一種有前途的途徑。遺憾的是，現有的已加工鎂合金時效硬化響應特別差，因此其析出硬化特性不明顯，沒有得到實際應用。

基於此，日本國家材料科學研究所K. Hono教授首次證明了雙輥鑄軋鎂合金板的烘烤硬化性，其可與觀察到的低碳鋼和6000系列鋁合金相媲美。所研製的僅含Al、Zn、Ca、Mn等廉價元素的合金，只需2%預應變，在170℃僅時效20分鐘。此外，新開發的鎂片基體織構較弱，微觀組織較細，具有與6000系列鋁合金一樣好的RT成形性能。相關研究結果以Bake-hardenable MgeAleZneMneCa sheet alloy processed by twin-roll casting 為題發表在金屬頂刊Acta Materualia上。

論文連結：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2018.07.057

採用雙輥鑄軋（TRC）工藝生產了寬260mm、厚4mm的Mg-1.3Al-0.8Zn-0.7Mn-0.5Ca (wt.%)(以下指定為AZMX1110)合金薄板。TRC板在450℃馬弗爐中加熱2小時，然後水淬。均勻化後的板在100℃軋至1mm厚，每道厚度減少約30%。除了最後一次軋制外，板材每道次前在400℃退火10分鐘。在170℃油浴時效。

通過烘烤硬化處理(即預拉伸2%，在170℃下時效20分鐘)，該合金的屈服強度可以從177 MPa顯著提高到238 MPa。該合金的烘烤硬化性約為40 MPa，可與目前用於製造汽車車身的低碳鋼和中等強度鋁合金相媲美。

圖1 BH AZMX1110合金在RT處的力學性能。(a) AZMX1110試樣在Erichsen杯試驗後出現斷裂，(c)經過固溶(T4)處理和烘烤硬化(BH) AZMX1110試樣的拉伸曲線。(b)對工業AZ31合金的拉伸成形性能和(d)拉伸性能進行了表徵。

圖2 I.E.作為一系列Mg和Al板材的屈服強度的函數值，包括商業Mg和Al板材，代表性的Mg和Al板材

圖3 EBSD IPF圖和(0002)和(1010)極圖顯示T4處理(a) AZMX1110和(b)商用AZ31合金薄板的微觀結構和織構。

圖4 (a) BF-STEM圖像和(b-f) EDX元素圖，顯示了T4處理的AZMX1110樣品中富含鋁和錳的納米級顆粒。

圖5 EBSD IPF(反極圖)圖顯示了(a)未變形(T4)和(b) 2%拉伸AZMX1110個樣品的微觀結構

圖6雙束亮場TEM圖像顯示了2%預拉伸AZMX1110樣品的微觀結構，這些圖像是在(a) g=0002，(b) g=0-110，(c) g =0-111雙束條件下拍攝的。

圖7用相關的TEM-APT技術表徵了預應變和烘烤硬化的AZMX1110樣品的微觀結構。(a)在g=01-10條件下，2%預拉伸試樣獲得的雙束BF-TEM圖像。(b)相同樣品尖端的相關三維原子探針(3DAP)圖，如(a)所示。(c)如(a)所示的(b)及其對應區域的疊加。(d)烘烤硬化樣品g =01-11時得到的兩束BF-TEM圖像。(e)同樣品尖端的相關3DAP圖(d)，為0.48at.% Ca等濃度表面。(f) (e)與(d)中對應區域的疊加。

圖8 (a)圖7e中沿藍色圓柱形區域(直徑為8 nm)的1D組分剖面。(b)圖7e中位錯線處的局部溶質濃度示意圖。位錯核區Al、Zn和Ca的原子濃度顯著高於基體區，說明時效過程中Al、Zn和Ca原子向位錯核遷移。

用正交溫度分析法對烘烤硬化的AMZX1110樣品進行了微觀結構表徵表明，Al、Zn和Ca的原子析出至位錯，並在聚集的同時促進了強化效果。BH AZMX1110薄板合金成功地克服了通常的成形性和強度之間的權衡關係，這一直阻礙了鎂合金在汽車領域的應用。因此，本文的發現有望促進BH - Mg薄板合金在汽車工業中的應用。

圖9從烘烤硬化AZMX1110合金中獲得的(a) Mg和(b)溶質原子的3DAP元素映射。(c)在所選區域檢測到Al、Zn和Ca簇

圖10 (a) BF-TEM和(b) HAADF-STEM圖像，顯示烘烤硬化AZMX1110合金基體區域的微觀結構。從矩陣區域記錄的[1120]、[0110]和[0002]選定區域的衍射圖樣也在(a)中提供。

圖11 AZMX1110合金的烘烤硬化機理研究。(a)經過高溫溶液熱處理，溶質原子溶解到α- Mg基體中。(b)通過預拉伸引入晶格缺陷，即基底位錯。(c)在短時間時效過程中，溶質原子不僅分離到基位錯，而且還形成小團簇。

圖12 (a) HAADF-STEM圖像和(b-e) EDX元素圖，顯示在T4處理的AZMX1110樣品中Al、Zn和Ca的晶界分離

綜上所述，本文採用低成本雙輥鑄造工藝生產了可烘烤硬化(BH)和室溫(RT)可成形的Mg-1.3Al-0.8Zn-0.7Mn-0.5Ca (wt.%) (AZMX1110)合金板材。在RT條件下，由於弱的「四重」基織構，其Erichsen值指數為7.8 mm。通過烘烤硬化處理(即預拉伸2%，在170℃下時效20分鐘)，該合金的屈服強度可以從177 MPa顯著提高到238 MPa。該合金的烘烤硬化性約為40 MPa，可與目前用於製造汽車車身的低碳鋼和中等強度鋁合金相媲美。