Sm微合金化与多向锻造协同提升Al5083合金力学及摩擦学性能的机理研究

本研究针对航空航天等领域对轻量化高强材料的迫切需求，创新性地采用稀土Sm微合金化结合室温多向锻造(MAF)技术，系统探究了Al5083-1 wt.% Sm合金的微观组织演变规律。通过FESEM、EBSD等表征手段发现，经3次MAF循环后晶粒尺寸减小47%，硬度提升51%至130±3 HV，抗拉强度提高61%达380±9 MPa，磨损体积损失显著降低。该工作为开发高性能稀土改性铝合金提供了新思路，在航空结构件、耐磨汽车部件等领域具有重要应用价值。

　　

在航空航天、汽车制造等工业领域，轻量化高强材料的开发始终是研究热点。5XXX系列铝合金因其优异的耐腐蚀性和焊接性能备受青睐，其中AA5083作为不可热处理强化合金中的高强代表，已广泛应用于船舶甲板、汽车车身等场景。然而，传统Al-Mg合金的强度提升往往面临瓶颈——通过冷加工虽可提高强度，但会显著降低塑性；而添加过渡族元素微合金化的效果又有限。近年来，稀土元素改性与剧烈塑性变形(SPD)技术的结合为铝合金性能突破提供了新思路，但关于稀土Sm微合金化铝合金在室温SPD过程中的组织性能演变规律仍缺乏系统研究。

针对这一科学问题，来自中国的研究团队在《Results in Engineering》发表了创新性成果。研究人员创造性地采用1 wt.% Sm微合金化与多向锻造(MAF)工艺协同策略，通过三步法研究体系：首先采用感应熔炼法制备AA5083-1 wt.% Sm合金并进行固溶处理(ST)；随后在室温下实施应变量为0.63/循环的MAF加工（3个循环）；最后综合运用场发射扫描电镜(FESEM)、电子背散射衍射(EBSD)、X射线衍射(XRD)等技术，系统表征了材料的微观组织演变、力学性能及摩擦学行为。

3.1 XRD结果
慢速扫描XRD谱在20°-30°区间检测到Al₃Sm、Al₄Sm和Al₁₁Sm₃等稀土相。随着MAF循环次数增加，(111)晶面衍射峰明显宽化，经Scherrer公式计算显示晶粒尺寸从ST态的1450 nm降至第三循环后的470 nm，表明MAF有效促进了晶粒细化。

3.2 微观结构
EBSD分析揭示了显著的晶粒细化过程：ST态平均晶粒尺寸为162±38 μm，经3次MAF循环后降至85±10 μm，降幅达47%。KAM分析显示几何必需位错(GND)密度从ST态的0.23×10¹⁴ m^-2提升至第三循环后的2.61×10¹⁴ m^-2，表明应变累积显著增加了位错密度。极图分析还发现MAF处理后形成了典型的Brass{110}<112>织构。

3.3 力学性能
力学性能呈现阶梯式提升：硬度从ST态的86±2 HV增至第三循环后的130±3 HV；抗拉强度从236±6 MPa提升至380±9 MPa，增幅达61%。值得注意的是，延伸率从13.1%降至6.8%，这是晶粒细化和位错强化的必然结果。

3.4 摩擦学行为
磨损机制发生显著转变：ST态以粘着磨损为主，表现为剥落坑和粘着沟槽；而MAF处理后逐渐转变为磨粒磨损主导，第三循环后在4N载荷下的磨损体积损失降至21.9×10^-7 μm³，较ST态降低50%。EDS分析发现磨损轨迹中Sm元素的偏聚现象，这可能是改善耐磨性的关键因素。

3.7 断口分析
断口形貌演变揭示材料失效机制的变化：ST态呈现典型韧窝形貌，随着MAF循环次数增加，韧窝尺寸逐渐减小且分布更均匀，第三循环后出现局部剪切特征，表明材料在保持一定塑性的同时强度显著提高。

这项研究通过Sm微合金化与MAF工艺的协同作用，成功实现了AA5083合金强度与耐磨性的同步提升。其科学价值体现在三个方面：一是阐明了稀土相在SPD过程中的钉扎效应，为铝合金晶界工程提供新思路；二是建立了MAF工艺参数-微观组织-力学性能的关联规律，为工艺优化提供理论指导；三是开发的材料在船舶装甲、航空航天紧固件等需要兼具高强和耐磨的场景具有应用潜力。值得注意的是，研究也发现过度变形可能导致微裂纹萌生，这为后续研究指明了改进方向——通过调整Sm含量与MAF工艺参数的匹配关系，有望进一步优化强塑性匹配。该成果不仅丰富了稀土改性铝合金的理论体系，也为高性能铝合金的工业应用提供了切实可行的技术路线。