一项关于通过两步轧制工艺增强钢/Mg层状复合材料协同强度-塑性的机制的研究

《Materials Science and Engineering: A》：A study on the mechanism of synergistic strength-plasticity enhancement of steel/Mg layered composites via two-step rolling

层状金属复合材料通过两步轧制法协同优化强度与塑性：二次轧制在提高界面结合强度至62MPa的同时，促使镁层晶粒细化至7.6μm并发生动态再结晶，而钢层因加工硬化效应显著增强，其抗拉强度由269MPa提升至325MPa，延伸率由3%增至5%。研究揭示了热力耦合作用下材料界面与基体层的协同强化机制。

　　

孙艳兰|白伟|刘丽|刘凤莲

济南大学机械工程学院，中国济南250022

摘要

层压金属复合材料的广泛应用主要依赖于其优异的机械性能。本文提出了一种两步轧制方法，以提高钢/Mg层压复合材料的强度和塑性。经过第二次轧制后，钢/Mg层压预复合材料的延伸率从3%增加到5%，抗拉强度从269 MPa增加到325 MPa，界面结合强度从46 MPa增加到62 MPa。研究了钢层、镁层及其结合界面的微观结构演变规律，揭示了二次轧制对钢/Mg层压复合材料综合机械性能的影响机制。结果表明，在第二次轧制过程中，镁层发生了动态再结晶和晶粒细化，而钢层出现了明显的加工硬化现象，位错密度显著增加。钢/Mg层压复合材料在抗拉强度和延伸率上表现出协同提升，这得益于界面结合强度的提高以及钢层和镁层本身的机械性能改善。除了在拉伸过程中增强界面背应力、延缓界面裂纹的形成外，较高的界面结合强度还扩大了拉伸过程中的界面影响区域，提高了钢层和镁层之间的变形协调性，从而增强了其塑性。本研究为提升层压金属复合材料的综合机械性能提供了新的策略。

引言

由于利用两种或多种金属的固有优势，层压金属复合材料通常具有出色的综合机械性能，在航空航天、石油化工、轨道交通、信息通信技术和海洋工程等领域得到了广泛应用[1,2]。层压金属复合材料的综合机械性能不仅取决于其组成金属的个体机械性能，还受到这些组分之间结合界面状态的影响[3]。

混合规则（ROM）[4]被认为是研究层压金属复合材料综合机械性能的基本理论。

在此公式中，f_ROM表示层压金属复合材料的预测机械性能；V_i和f_i分别表示第i层组分的体积分数和机械性能。根据ROM，层压金属复合材料的综合机械性能不仅受组分本身机械性能的影响，还受组分厚度比的影响。因此，通过合理设计这些组分的微观结构和厚度比，可以实现所需的综合机械性能目标。白等人[5]研究了厚度比对Mg-Al-Zn/Mg-Gd层压复合材料弯曲性能的影响，发现2:1的厚度比能够获得最佳的弯曲性能。然而，ROM忽略了金属结合界面的作用，这导致实验测得的机械性能与ROM计算结果存在差异。因此，界面结合质量是影响层压金属复合材料综合机械性能的另一个重要因素。基于这一观点，许多学者采用“界面效应”来提高其机械性能[[6], [7], [8]]。最常用的方法是“预复合+热处理”工艺，该方法主要通过控制热处理过程来增强界面结合强度，从而改善其综合机械性能[[9], [10], [11], [12], [13], [14]]。然而，热处理会导致组分层强度降低，从而降低其综合抗拉强度[15,16]。黄等人[17]采用“热轧+退火”方法制备了钛/铝层压复合材料，其延伸率超过了任何单一钛或铝板材的延伸率。然而，由于退火后Ti层和Al层的强度下降，Ti/Al层压复合材料的抗拉强度显著降低。总之，层压金属复合材料强度和塑性的协同提升受到同时改善组分层性能和界面结合的难度限制。

本文以钢/Mg层压复合材料为例，提出了一种新的方法，该方法通过同时调节组分层性能和界面结合性能来提高其强度和塑性。首先，通过第一次轧制和热处理制备钢/Mg层压预复合材料板，然后再次进行轧制（称为第二次轧制）以制备最终的钢/Mg层压复合材料。第二次轧制的温度超过了镁的再结晶温度（150°C）。对钢层、镁层和钢/Mg结合界面的微观结构演变进行了系统分析，揭示了第二次轧制对钢/Mg层压复合材料综合机械性能的影响机制。

方法部分

制备方法

实验中使用的钢板和镁板的成分元素见表1。在复合轧制之前，两块板都经过了单独的退火处理。钢板的退火过程是在910°C下加热1小时，然后在炉中冷却。镁板的退火过程是在350°C的热处理炉中保温5小时，随后在炉中冷却。

图1展示了

钢/Mg层压复合材料的机械性能

图2显示了经过二次轧制和热处理的钢/镁层压复合材料的机械性能。图2a展示了界面结合强度的变化情况。根据图表，热处理后的钢/Mg层压复合材料的界面结合强度约为45 MPa。第二次轧制后，界面结合强度增加到62 MPa。热处理和二次轧制后的钢/Mg层压复合材料的横截面显微硬度和抗拉强度

钢/Mg层压复合材料的微观结构演变机制

根据第3.2节和第3.3节的实验结果，第二次轧制后钢层、镁层和钢/Mg结合区域的微观结构发生了明显变化。这主要与第二次轧制过程中的热-力耦合效应有关。钢的晶粒尺寸和织构基本保持不变，但KAM（晶界面积）显著增加；镁的织构基本保持不变，但晶粒尺寸显著减小

结论

• (1)
  经过第二次轧制后，热处理后的钢/Mg层压复合材料的延伸率从3.0%增加到5.0%，抗拉强度从269 MPa增加到325 MPa，屈服强度从183 MPa增加到285 MPa，界面结合强度从46 MPa增加到62 MPa。
• (2)
  镁层在第二次轧制过程中发生了动态再结晶，导致晶粒尺寸从23.4 μm细化到7.6 μm。钢层没有发生动态变化

作者贡献声明

孙艳兰：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿构思。白伟：可视化处理、验证、方法论研究、实验分析。刘丽：方法论研究。刘凤莲：可视化处理、验证、方法论研究、实验分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。