锌元素添加对Al-Mg-Mn合金弥散相析出及力学性能的调控机制研究

本研究针对Al-Mg(5XXX)合金因高Mg含量导致的强度-塑性-耐蚀性失衡问题，通过引入Zn元素调控Mn-rich dispersoids（富锰弥散相）的析出行为，发现Zn添加使弥散相数密度提升237%，显著增强再结晶抗性（Zener钉扎效应），最终获得抗拉强度459.4 MPa、延伸率21%的优异综合性能，为开发高性能非热处理铝合金提供新策略。

　　

在汽车和船舶制造领域，Al-Mg(5XXX)合金凭借优异的成形性和耐蚀性备受青睐。然而，这类传统非热处理强化合金主要依赖固溶强化(Mg原子)和应变硬化，高Mg含量往往导致塑性骤降和耐蚀性恶化。更棘手的是，常规均匀化处理形成的Mn-rich dispersoids（富锰弥散相）数量稀少且分布不均，难以通过Zener钉扎效应有效抑制再结晶。如何通过微合金化设计破解这一"强度-塑性-耐蚀性"三角难题，成为材料科学家们亟待攻克的课题。

苏州大学材料科学与工程学院的研究团队在《Materials Science and Engineering: A》发表的最新研究中，创新性地将Zn元素引入Al-4.5Mg-0.7Mn合金体系。通过对比分析Zn-free(5083)与含5wt%Zn(5Zn)合金的微观组织演变，发现Zn添加促使均匀化加热过程中形成MgZn相，这些纳米颗粒作为异质形核位点，使Mn-rich dispersoids数密度暴增237%，且空间分布均匀性显著改善。得益于弥散相的几何必需位错(GNDs)钉扎作用，5Zn合金冷轧后仍保持纤维状组织，而传统5083合金则完全再结晶。更令人振奋的是，5Zn合金展现出459.4 MPa抗拉强度与21%延伸率的完美结合，强度较基准合金提升30%以上。

研究采用多尺度表征技术：通过SEM-EDS解析铸态组织的AlMnFe金属间化合物(IMCs)和T-Mg₃₂(Al,Zn)₄₉共晶相分布；利用TEM-SAED鉴别均匀化后α-Al(Mn,Fe)Si弥散相的晶体结构；结合硬度测试和室温拉伸实验量化力学性能提升；特别采用可控升温实验追踪MgZn→Al₃Mn相变序列，揭示Zn促进弥散相析出的"异质形核-晶格适配"双机制。

【As-cast and homogenized microstructure】
铸态组织中，5Zn合金除AlMnFe相外还出现典型T-Mg₃₂(Al,Zn)₄₉共晶网。经三步均匀化(275°C/12h→375°C/48h→425°C/12h)后，两种合金均保留耐高温IMCs，但5Zn合金中弥散相数密度达5083合金的3.37倍，平均间距缩小至120 nm。

【Dispersion strengthening effect】
基于Orowan绕过模型计算显示，5Zn合金中弥散相贡献的强度增量Δσ达78.6 MPa，远超5083合金的22.4 MPa。公式推导证实λ（有效粒子间距）与f（体积分数）的平方根成反比，Zn添加通过提高f值实现λ的优化调控。

【Conclusions】
该研究突破性地证实：1)Zn通过形成MgZn过渡相提供异质形核位点，使Mn-rich dispersoids数密度提升237%；2)弥散相均匀分布产生强Zener钉扎效应，完全抑制再结晶；3)建立的"微合金化-形核调控-性能优化"关联模型，为设计新一代高强韧5XXX合金提供理论基石。

这项研究不仅解决了Al-Mg合金强度-塑性倒置的行业难题，更开创了通过Zn微合金化激活非热处理铝合金沉淀强化潜力的新范式。其揭示的"过渡相催化"机制可推广至其他合金体系，对航空航天用高损伤容限合金开发具有重要启示意义。