孪晶诱导的快速断裂效应使得预处理和轧制的AZ80镁合金具备了更优异的强度-延性协同性能

《Journal of Alloys and Compounds》：Twin-induced precipitate fragmentation enables superior strength-ductility synergy in pre-aged and rolled AZ80 magnesium alloy

AZ80镁合金通过预时效后退火（SAR）与预变形后时效（SRA）对比研究，发现SAR工艺利用双孪晶剪切粗大沉淀，形成细椭圆板状β-Mg17Al12，并产生高密度沉淀钉扎位错，实现强度（336.5 MPa）与延展性（7.9%）最优平衡。

　　本研究系统探讨了不同时效-轧制顺序对AZ80镁合金微观结构演化及力学性能的影响。通过比较两种热机械处理路线——先时效后轧制（SAR）和先轧制后时效（SRA），发现两种处理方式在轧制过程中都会激活大量{10?11}收缩孪晶以及{10?11}-{10?12}双孪晶。然而，SAR工艺能够通过孪晶诱导的碎裂作用对析出相进行细化：在预时效阶段形成的长条状β-Mg??Al??析出相在双孪晶剪切作用下被破碎为细小的椭球状晶须。此外，SAR样品中析出相能够有效钉扎位错，形成高密度的位错网络。因此，在所有测试条件下，SAR样品的力学性能均优于SRA样品，其中SAR10样品在强度与延展性之间达到了最佳平衡（屈服强度：336.5 MPa；伸长率：7.9%）。这些优异性能的产生源于孪晶边界（TB）强化、位错硬化以及析出相细化的协同作用。本研究展示了在镁铝合金中，先进行时效处理再进行轧制是一种更为有效的强化策略，同时为析出相与孪晶的相互作用提供了新的见解，有助于指导微观结构的设计。

镁合金因其优越的强度与重量比、成本效益以及良好的机械性能，在汽车和航空航天领域得到了广泛应用。然而，这类合金在实际应用中仍面临一些挑战，特别是在强度方面的不足。以AZ80合金为例，其主要强化相为β-Mg??Al??析出相，但由于这些析出相的密度较低、尺寸较大以及不利于阻碍基面滑移，导致其强化效果有限。为了解决这一问题，科研人员探索了多种工艺策略，其中将时效处理与机械变形相结合的方法取得了显著成效。例如，预变形时效处理能够通过冷加工在时效前引入高密度的位错和堆垛层错，这些晶格缺陷不仅提高了原子扩散速率，还为析出相的形成提供了丰富的成核位点，从而显著增强时效响应。

在具有织构的镁合金中，预孪晶变形已被证明是一种特别有效的手段。它不仅能够细化微观结构，还能改善时效硬化动力学。例如，Yan等人通过结合多向孪晶与时效处理，成功将AZ80合金的抗拉强度提升至469 MPa。这种显著的强度提升主要归因于超细孪晶结构与细化β-Mg??Al??析出相的协同作用。这些析出相在预变形孪晶的诱导下形成了更精细的形态，从而增强了材料的强度。

近年来，研究者发现将传统的加工顺序反转——即先进行时效处理再进行变形——可以开辟出新的微观结构优化路径，并带来不同的强化机制。例如，Cheng等人在Mg-8Sn-6Zn-2Al合金中采用先时效后等通道转角挤压的工艺，取得了显著的性能提升。而Zheng等人在挤压Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金时，通过先时效再热挤压的方法也观察到了类似的性能改善。这些改进主要归因于两个关键机制：一是预存析出相促进的动态再结晶和晶粒细化；二是粗大析出相在变形过程中被破碎，形成致密细小析出相，同时伴随动态析出效应。其中，Liu等人提出了一种创新方法，通过先时效再孪晶变形，可以有效地将β-Mg??Al??析出相从基面取向重新定向到棱面取向，从而显著提升其强化效果。Zhu等人在此基础上，将先时效与侧向轧制相结合，成功提高了AZ80轧制板材的力学性能。

尽管上述研究取得了一定进展，但目前的析出相工程方法主要集中在由轧制方向（RD）或横向方向（TD）加载所诱导的{10?12}孪晶上。虽然这些方法在提升材料性能方面表现出色，但它们忽略了其他孪晶模式的潜力，尤其是{10?11}收缩孪晶和{10?11}-{10?12}双孪晶。这些孪晶在正常方向（ND）轧制过程中形成较为容易，且代表了一种更具工业应用价值的加工方式。然而，它们在析出相控制方面的研究仍显不足。因此，有必要进一步探索这些孪晶模式在析出相调控中的作用，以期为镁合金的工业生产提供更具实用性的策略。

本研究正是基于这一背景，对AZ80镁合金在不同时效与轧制顺序下的微观结构和力学性能进行了系统分析。重点在于探讨加工顺序如何影响微观结构演化，尤其是孪晶类型与析出相特性的相互作用。通过详细分析，我们发现SAR处理方式在提升材料性能方面具有独特优势。首先，在预时效阶段，析出相已经形成并分布在晶界和晶内，为后续的轧制变形提供了良好的成核条件。其次，在轧制过程中，{10?11}收缩孪晶和{10?11}-{10?12}双孪晶的形成不仅有助于细化晶粒，还通过剪切作用将粗大的β-Mg??Al??析出相破碎为细小的椭球状晶须。这种细化作用显著提高了析出相的密度，从而增强了材料的强度。

此外，SAR样品中析出相能够有效钉扎位错，形成高密度的位错网络。这种位错钉扎效应不仅提高了材料的强度，还改善了其延展性。相比之下，SRA样品在轧制过程中表现出明显的再结晶现象，导致部分孪晶边界被消除，削弱了TB强化效应。因此，在所有测试条件下，SAR样品的力学性能均优于SRA样品，尤其是在强度与延展性的平衡方面，SAR10样品表现最为优异。

本研究的另一个重要发现是，不同孪晶模式对析出相的演化和分布具有显著影响。{10?11}收缩孪晶和{10?11}-{10?12}双孪晶的形成不仅有助于细化晶粒，还能通过剪切作用促进析出相的破碎与重组。这种机制在SAR处理中尤为明显，因为在预时效阶段析出相已经形成，为后续的孪晶诱导碎裂提供了良好的基础。而SRA处理中，由于析出相尚未形成，孪晶的形成主要依赖于变形过程中的动态析出效应，这在一定程度上限制了析出相的细化效果。

从材料加工的角度来看，本研究揭示了时效与轧制顺序对镁合金性能的深远影响。通过调整加工顺序，可以有效调控析出相的形态、尺寸和分布，从而实现材料性能的优化。这一发现不仅拓展了传统热机械处理方法的应用范围，还为镁合金的工业生产提供了新的思路。在实际应用中，通过合理设计加工顺序，可以充分利用析出相与孪晶的协同作用，提升材料的综合性能。

此外，本研究还强调了析出相与孪晶之间的相互作用在材料强化中的重要性。析出相不仅能够钉扎位错，提高材料的强度，还能通过其取向变化影响孪晶的形成和演化。例如，在SAR处理中，析出相的取向被重新定向，使其更有利于阻碍基面滑移，从而增强其强化效果。而SRA处理中，由于析出相尚未形成，孪晶的形成主要依赖于变形过程中的动态析出效应，这在一定程度上限制了析出相的细化效果。

从工业应用的角度来看，本研究提出的SAR处理方式具有较高的可行性。相比传统的专门化变形方法，SAR处理能够更有效地结合时效与轧制过程，实现材料性能的全面提升。同时，这种处理方式也更加符合实际生产的需求，因为它可以在常规轧制过程中引入时效处理，无需额外的专用设备或复杂的工艺流程。因此，SAR处理不仅能够提高材料的强度与延展性，还能降低生产成本，提高生产效率。

在材料科学领域，研究析出相与孪晶之间的相互作用对于开发高性能镁合金具有重要意义。通过调控析出相的形态、尺寸和分布，可以实现材料性能的优化。而孪晶的形成与演化则进一步增强了材料的强度，特别是在高应变条件下。因此，深入研究析出相与孪晶的协同作用，不仅有助于理解镁合金的强化机制，还能为材料设计和工艺优化提供理论支持。

综上所述，本研究通过系统分析AZ80镁合金在不同时效与轧制顺序下的微观结构和力学性能，揭示了加工顺序对材料性能的深远影响。SAR处理方式通过激活大量孪晶并促进析出相的细化，显著提升了材料的强度与延展性。这一发现不仅为镁合金的强化提供了新的思路，也为工业生产中的热机械处理策略提供了重要的参考价值。未来的研究可以进一步探索不同孪晶模式在析出相调控中的作用，以及如何通过优化加工顺序实现材料性能的全面提升。