表面超声滚压工艺诱导梯度结构提升Al-Mg-Si合金力学性能

《Journal of Materials Research and Technology》：Surface ultrasonic rolling process induces gradient structure to promote the mechanical properties of Al-Mg-Si alloy

　　

研究人员通过表面超声滚压工艺（USRP）在Al-Mg-Si合金中成功制备了梯度结构。电子背散射衍射（EBSD）与透射电子显微镜（TEM）揭示，施加的应变梯度诱导了晶粒与析出相沿深度方向的连续演化。近表面区域严重塑性变形导致显著晶粒细化，同时预存析出相发生变形诱导碎化与细化，形成更均匀的纳米级析出相碎片分布；亚表面区域较低应变水平保留了原始针状或长条状析出相形貌。表面显微硬度达108.7 HV，较心部高19.6 HV，增幅约22%。相较于未处理合金，USRP使屈服强度由268.1 MPa提升至282.9 MPa（约5.5%），极限抗拉强度由297.2 MPa提升至315.1 MPa（约6.0%），延伸率几乎不变（10.3%，仅降0.2%）。力学性能的适度提升主要归因于晶粒细化、位错累积、析出强化及硬化表层与韧性心部协同作用；延性保留主要与粗晶心部保留有关，梯度结构内应变分配提供额外贡献。

研究背景与立项依据：金属材料强度与塑性固有矛盾限制其应用拓展，表面严重塑性变形（SPD）技术如超声喷丸（USP）、表面机械研磨处理（SMGT）、表面超声滚压工艺（USRP）等可构筑梯度结构（GS）以协同提升性能。既往研究多聚焦纯金属或单相合金的晶粒尺寸梯度，析出硬化合金中次生在相演化与力学贡献尚不明晰；Al-Mg-Si合金析出序列为过饱和固溶体（SSSS）→Guinier-Preston（GP）区→亚稳β″相→亚稳β′相→稳定β相，其中β″相（Mg₅Si₆，单斜，沿<100> Al 全共格）为关键强化相。USRP兼具静压与高频冲击，可在沉淀强化基体中引入应变梯度并调控晶粒、位错与预存β″相分布，但深度依赖的β″相对衰减应变场响应未系统阐明。该研究由贵州大学材料与冶金学院Na Yang、Lin Chen、Meigui Ou、Yu Liang开展，发表于《Journal of Materials Research and Technology》，旨在揭示USRP在预时效Al-Mg-Si合金中耦合调控组织与性能的机制。

主要关键技术方法：研究人员选用锻造Al-Mg-Si合金（Mg 0.63、Si 0.44 wt.%），经535 ℃×1 h固溶、60%常规轧制、160 ℃×4 h时效得R1基准样；再施USRP（静压0.2 MPa、振频28 kHz、转速110 r/min、进给10 mm/min、6道次）得R2样。表征上采用维氏显微硬度（0.1 kg载荷）、MTS 810室温拉伸（标距28 mm、直径5 mm、沿轧向1 mm/min），以及ZEISS SUPRA 40 SEM、Talos F200X HRTEM（FIB制样至~80 nm）、EBSD（变步长0.22–2.2 μm，Aztec Crystal分析），ImageJ定量晶粒与析出相尺寸。

研究结果：

3.1 显微组织：EBSD显示R2具NL（纳米层~390 nm）-DL（变形层~9.8 μm）-CL（心部~44.2 μm）三层梯度，总厚~300 μm，Schmid因子恒为0.47。TEM表明R1心部为粗晶+针状β″；R2中NL因高应变率高静压致位错缠结成壁/胞，β″被剪切碎化为近等轴纳米片（平均长轴6 nm），DL中β″弯曲截断（19.3 nm），CL保留71 nm针状β″，三相均经HRTEM/FFT/EDS确认为单斜β″无β′/β转变；位错密度NL 7.53×10¹⁴ m^-2、DL 7.08×10¹⁴ m^-2、CL 2.03×10¹⁴ m^-2。

3.2 力学性能：R1硬度均布88.3 HV；R2表面108.7 HV（心部88.3 HV，+22%）。R1的YS 268.1 MPa、UTS 297.2 MPa、EL 10.5%；R2的YS 282.9 MPa（+14.9 MPa，+5.5%）、UTS 315.1 MPa（+17.9 MPa，+6.0%）、EL 10.3%（-0.2%）。断口均为韧窝，尺寸相当。

讨论部分总结：晶粒梯度由Hall-Petch估算NL/DL/CL细化贡献；位错强化按Taylor关系式量化；析出强化分共格β″切过（临界半径r_c=3.5 nm）与Orowan绕过两机制，USRP主要纵向劈裂针状相降长径比、半径恒6 nm，强化差来自层间间距λ变化；固溶强化因成分一致可忽略；几何必需位错（GND）在软硬界面累积产生背应力协同强化。各机制半定量叠加解释YS增量，梯度层体积分数NL 7.84%、DL 14.72%、CL 77.44%。

结论翻译：该研究确立USRP引入的梯度结构可提升Al-Mg-Si合金强塑平衡。（1）USRP成功制备~300 μm梯度层，表面晶粒~390 nm且高位错密度；（2）梯度层内预存β″经受变形剪切碎化，分布均化而β″结构不变；（3）硬度由心部89.1 HV升至表面108.7 HV（+22%），YS/UTS分别282.9/315.1 MPa（+5.5%/+6.0%），延伸率仅降至10.3%；（4）性能提升源于晶粒细化、位错累积、析出强化及硬表/韧芯协同，延性保留归功粗晶心部与应变分配。