二元Al-Mg合金中拉伸强度与冲击韧性的取向依赖性解耦

《Journal of Alloys and Compounds》：Orientation-dependent decoupling of tensile and impact toughness in binary Al–Mg alloys

　　

摘要

热轧Al–Mg（5xxx系）板材广泛应用于海洋、低温及结构领域。然而，服役过程中承受的动力冲击载荷很少与单一轴对齐，且二元Al–Mg合金的冲击韧性各向异性特征尚不清楚，尤其是对于不含微量Mn/Cr/Si/Fe添加元的成分而言尤为如此。本文报道了新型二元Al–xMg合金（x = 1–6?wt%，命名为ECO-Almag）在热轧状态下的室温力学性能，这些合金采用Mg–Al?Ca中间合金制备，以确保成分简洁和微观组织可控，并着重关注了沿四个加工方向（L-S、L-T、T-S、T-L）测量的多方向夏比V型缺口冲击韧性。在各成分范围内，抗拉强度从约124显著提高至约306?MPa，而延伸率损失不大（~26–32%），使得抗拉韧性提升了约2.2倍。相比之下，方向平均夏比能量从约93降至约59?J，同时各向异性显著增强。二维X射线衍射（2D-XRD）揭示了热轧过程中形成的{111}择优取向，但未发现面内（RD–TD）不对称性；因此，冲击韧性的各向异性归因于非织构而是轧制引起的微观组织形貌变化，这一结论与方向相关的侧向膨胀响应一致。这种拉伸性能与冲击性能之间的解耦表明，由拉伸试验导出的指标不能替代动态载荷下的抗断裂能力。值得注意的是，Almag6在其最弱取向（T-L）下的冲击韧性仍保持在约40?J，表明ECO-Almag合金即使在高Mg含量和最易受损伤的横向方向上，仍能保持可观的冲击韧性。

引言

Al–Mg（5xxx系）合金是最广泛使用的非热处理强化铝合金之一，适用于需要低密度、耐蚀性、可焊性和损伤容限相结合的结构应用。作为非热处理强化合金，其强度主要来源于Mg的固溶强化：增加Mg含量会在固溶强化过程中引入显著的晶格畸变，从而同时提高强度和晶粒稳定性[1]。Mg还降低了Al的层错能（SFE），促进平面滑移和位错塞积，增强加工硬化能力，显著提高了强度而未造成延伸率的明显损失[2]。

然而，在商业变形Al–Mg合金中，Mg含量通常被限制在约5.5?wt%以下，原因在于加工过程中的高氧化速率以及高Mg含量合金的微观组织长期不稳定性。此外，标准的5xxx系合金还依赖Mn、Cr、Si和Fe的微量添加来微调力学性能和耐蚀性[1]。这些商业限制使得二元Al–Mg体系（尤其是高Mg含量体系）的基本行为研究相对不足，因此成为一个活跃的研究领域，也是对传统工业成分的突破。一种新近获得专利的ECO加工路线，采用Mg–Al?Ca中间合金[3]、[4]，在突破这些限制方面展现了巨大潜力。该方法已成功制备出高强度[5]、良好成形性[6]、[7]、耐热性[8]和良好热加工性[9]的高Mg含量Al–Mg合金，为高性能铝合金设计开辟了一条新途径。

除了强度和塑性之外，冲击韧性也是结构部件的关键性能，因为它反映了材料在动态载荷下抵抗裂纹扩展的能力，通常通过夏比型试验进行评估。在铝合金中，Al–Mg基成分因此是高韧性应用的有前景的候选材料[10]。然而，冲击韧性的研究历来集中在钢铁上，考虑到减重潜力，Al–Mg合金的冲击响应值得进一步研究。目前为数不多的关于Al–Mg合金的研究结果存在一些矛盾的趋势。一项早期研究[11]报道，随着Mg含量从3增加至7?wt%，室温冲击韧性逐渐降低，同时伴随抗拉强度的相应提高，这归因于固溶强化。最近，Son等人[10]比较了商业AA5083（~4.5?wt% Mg）与二元Al–6Mg、Al–8Mg和Al–8.5Mg合金的冲击韧性，发现AA5083最脆，而Al–6Mg韧性最佳；AA5083的低韧性主要归因于第二相颗粒体积分数较大且尺寸较粗，而Al–6Mg中较少的第二相颗粒和相对较弱的晶体织构则被提出作为其在二元合金中冲击韧性最优的原因。对时效硬化型铝合金冲击韧性的研究表明，较低的析出相分数可抑制应变局部化并延缓过早断裂[12]、[13]。Gong等人[12]报道，平面滑移和增强的加工硬化能力显著改善了铝合金的冲击韧性。

尽管已有上述研究贡献，Al–Mg合金冲击韧性的各向异性（尤其是相对于加工方向）仍较少受到关注。对于轧制Al–Mg板材而言，这种方向性表征具有重要意义，因为冲击载荷很少与单一加工轴对齐，且设计规范通常要求对多个方向进行韧性评定。

本研究考察了ECO-Almag二元Al–xMg合金（x = 1–6?wt%）在热轧状态下的室温拉伸和夏比冲击响应。特别关注了冲击韧性的方向依赖性及其与拉伸性能之间的关系，以明确由拉伸试验导出的韧性指标能否可靠地代表轧制Al–Mg板材的动态断裂抗力。通过沿多个加工方向评估冲击行为，并与拉伸、硬度和织构测量结果进行对比，本研究旨在建立二元Al–Mg合金中拉伸韧性与冲击韧性之间耦合或解耦的程度。

章节摘要

实验

二元Al–xMg铸坯（x = 1、2、3、4、5和6?wt%），以下分别称为Almag1至Almag6，采用ECO加工路线通过重力铸造制备，其中向工业纯Al锭中加入Mg–Al₂Ca中间合金。此外，还引入了Al–5Ti–1B中间合金作为晶粒细化剂。铸态铸坯的化学成分汇总于表1中。Al–5Ti–1B细化剂在每炉中以总装料量的固定0.4?wt%添加，提供了一致的

微观组织

Almag1–6板材的热轧微观组织随Mg含量呈系统性演变，从低Mg含量时的粗大拉长晶粒转变为高Mg含量时更细且更接近等轴的晶粒，如图3中RD、TD和ND面上的光学显微镜（OM）照片所示。从38?mm铸锭到10?mm热轧板材的转变对应约74%的总厚度压下率，足以显著破碎铸态枝晶组织

结论

通过ECO铸造路线制备的新型二元Al–xMg合金（x = 1–6?wt%，命名为ECO-Almag），在热轧（F态）条件下的室温力学性能得到了考察，特别着重于多方向CVN冲击韧性。主要发现如下：

• 1.
  热轧产生了随Mg含量系统性演变的微观组织，从低Mg含量时的粗大拉长晶粒逐渐向

CRediT作者贡献声明

Shahabodin Rafiei：调查研究。Hyo Yun Jung：调查研究。Bong-Hwan Kim：概念构思。Shae K. Kim：项目管理。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争经济利益或个人关系，这些情况可能会影响本文所报告的工作。

致谢

本研究得到韩国产业技术研究院（KITECH）的项目资助（项目编号：EO260006）。

利益冲突

作者声明不存在已知的竞争经济利益或个人关系，这些情况可能会影响本文所报告的工作。

Shahabodin Rafiei | Hyo Yun Jung | Bong-Hwan Kim | Shae K. Kim

韩国科学技术院（UST）工业材料与智能制造工程系，韩国大田广域市儒城区嘉呈路217号，邮编34113