AZ31B镁合金预拉伸变形与表面机械滚压协同强化疲劳性能的机制研究

针对AZ31B镁合金在服役中易发生疲劳断裂的问题，研究人员通过预拉伸变形（PT）和表面机械滚压处理（SMRT）的协同作用，系统研究了其对疲劳性能的强化机制。结果表明，5PT试样疲劳极限提升27.78%，SMRT处理提升55.56%，而2PT+SMRT协同处理可实现66.67%的显著提升。该研究为金属材料疲劳性能优化提供了新策略，对航空航天轻量化应用具有重要意义。

　　

（论文解读）
镁合金因其轻质高强的特性，在航空航天和交通运输领域备受青睐，但AZ31B镁合金较差的抗疲劳性能却成为制约其高端应用的瓶颈。疲劳断裂通常始于材料表面裂纹的萌生，并以沿晶断裂形式向内部扩展。传统单一强化手段如预拉伸变形或表面处理虽能部分改善性能，但存在强化效果有限或引入新缺陷等问题。如何通过协同调控表面与内部组织结构实现疲劳性能的跨越式提升，成为当前研究的关键挑战。

来自中国的研究团队在《Journal of Magnesium and Alloys》发表的研究中，创新性地将预拉伸变形（Pre-tension deformation, PT）与表面机械滚压处理（Surface mechanical rolling treatment, SMRT）相结合。通过系统设计0-11%梯度预拉伸变形，结合35μm单次压下量的多道次SMRT处理，构建了从纳米晶表面到粗晶基体的梯度结构。研究采用电子背散射衍射（EBSD）分析晶界演变，纳米压痕技术测量残余应力，并结合红外热成像实时监测疲劳过程中的能量耗散行为。

3.1 微观结构特征
EBSD分析显示，5%预拉伸使AZ31B最大织构强度降至6.06，低角度晶界（LAGBs）比例提升至47.3%，形成均匀的位错网络。SMRT处理则使表面硬度提升52.69%，在150μm深度内形成梯度纳米结构，表面晶粒尺寸细化至亚微米级。

3.2 拉伸性能
协同处理使5PT+SMRT试样的屈服强度达247.21 MPa（提升62.04%），但延伸率降低至13.69%。断口分析显示，协同处理试样呈现更浅的韧窝形貌，表面存在明显的滚压流线痕迹。

3.3 疲劳性能
S-N曲线表明，2PT+SMRT试样疲劳极限达150 MPa（提升66.67%），显著优于单一处理组。裂纹源从表面迁移至内部，疲劳条纹间距缩小40%。红外热像显示协同处理试样的温升幅度降低35%，表明塑性变形能耗减少。

4.3 强化机制
研究揭示了三级协同机制：表面纳米晶层通过Hall-Petch效应阻碍裂纹萌生；梯度孪晶层消耗裂纹扩展能量；预拉伸引入的位错墙与SMRT残余压应力（-450 MPa）协同抑制裂纹张开。值得注意的是，当预拉伸超过5%时，内部微孔缺陷会导致11PT+SMRT试样出现双裂纹源协同扩展的反常现象。

该研究首次阐明了PT与SMRT的协同强化规律，2%预拉伸与滚压处理的组合被证实为最优工艺窗口。所提出的"表面纳米化-内部位错调控"双轨强化策略，为高强轻质镁合金的工程应用提供了理论依据。研究结果对航空发动机叶片、高铁转向架等关键部件的长寿命设计具有重要指导价值。