金属顶刊《ACTA》：首次发现！新型镁合金，强度堪比低碳钢

导读：本文采用低成本双辊铸造工艺生产的Mg-1.3Al-0.8Zn-0.7Mn-0.5Ca(wt.%) (AZMX1110) 合金薄板在T4固溶处理条件下，室温下可成形性好。该合金在170℃处有快速时效硬化反应，导致流动应力在20分钟内由198 MPa显著增加到238 MPa。这样的烘烤硬化性(BH)在镁合金中从未被探索过，可与目前用于制造汽车车身的低碳钢和中等强度铝合金相媲美。通过透射电子显微镜和原子探针层析成像(TEM-APT)对烘烤硬化试样的微观结构进行了表征，发现Al、Zn和Ca原子析出到基底<>位错处，并通过钉扎位错的运动促进了合金强化，同时这些原子也会聚集。这些首次采用普遍存在的低价元素制备的，该BH Mg薄板合金应用于汽车车身是非常有吸引力的。

低碳钢和6000系列铝(Al)合金是用于汽车车身面板的主要材料，因为它们在冲压成型操作中表现出优异的成形性和烘烤硬化性。近年来，为了满足日益增长的减重需求，使用更轻的结构材料已成为汽车工业的必然要求。镁(Mg)作为最轻的结构金属，在汽车车身上的潜在应用已引起广泛关注。然而，较差的室温力学性能和高的加工成本阻碍了工业加工Mg合金薄板的广泛应用，如Mg-3Al-1Zn-0.3Mn (wt.%) (AZ31)和Mg-1Zn-0.2Ce (wt.%) (ZE10)。AZ31合金片材屈服强度约为200MPa，足以作为汽车车身片材。然而，由于在热机械加工过程中产生的强(0002)晶体结构，其Erichsen(I.E.)值(拉伸成形性的指标)小于4mm，低于汽车车身面板冲压所需的值。相比之下，ZE10合金薄板的结晶织构较弱，因此晶体织构值要高得多，约为8-9mm，可与6000系列铝合金薄板相媲美。然而，成形性的改善需要显著牺牲屈服强度，这被称为“强度-成形性权衡困境”。为了促进镁合金在汽车工业中的应用，开发高强度、低成本的可锻压镁合金是十分必要的。

一般来说，固溶(T4)处理的合金板材由于塑性变形组织的恢复和再结晶而表现出较低的屈服强度；因此，在晶体织构减弱的情况下，它们可以提供良好的成形性，这在ZE10合金中得到了证明。尽管传统的加工镁合金不表现出明显的时效硬化反应，但成分优化的镁合金的屈服强度可以通过人工时效得到显著提高。因此，开发具有优良RT可成形性和快速时效淬透性的可热处理镁合金是解决镁合金强度可成形性权衡问题的一种有前途的途径。遗憾的是，现有的已加工镁合金时效硬化响应特别差，因此其析出硬化特性不明显，没有得到实际应用。

基于此，日本国家材料科学研究所K. Hono教授首次证明了双辊铸轧镁合金板的烘烤硬化性，其可与观察到的低碳钢和6000系列铝合金相媲美。所研制的仅含Al、Zn、Ca、Mn等廉价元素的合金，只需2%预应变，在170℃仅时效20分钟。此外，新开发的镁片基体织构较弱，微观组织较细，具有与6000系列铝合金一样好的RT成形性能。相关研究结果以Bake-hardenable MgeAleZneMneCa sheet alloy processed by twin-roll casting 为题发表在金属顶刊Acta Materualia上。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2018.07.057

采用双辊铸轧（TRC）工艺生产了宽260mm、厚4mm的Mg-1.3Al-0.8Zn-0.7Mn-0.5Ca (wt.%)(以下指定为AZMX1110)合金薄板。TRC板在450℃马弗炉中加热2小时，然后水淬。均匀化后的板在100℃轧至1mm厚，每道厚度减少约30%。除了最后一次轧制外，板材每道次前在400℃退火10分钟。在170℃油浴时效。

通过烘烤硬化处理(即预拉伸2%，在170℃下时效20分钟)，该合金的屈服强度可以从177 MPa显著提高到238 MPa。该合金的烘烤硬化性约为40 MPa，可与目前用于制造汽车车身的低碳钢和中等强度铝合金相媲美。

图1 BH AZMX1110合金在RT处的力学性能。(a) AZMX1110试样在Erichsen杯试验后出现断裂，(c)经过固溶(T4)处理和烘烤硬化(BH) AZMX1110试样的拉伸曲线。(b)对工业AZ31合金的拉伸成形性能和(d)拉伸性能进行了表征。

图2 I.E.作为一系列Mg和Al板材的屈服强度的函数值，包括商业Mg和Al板材，代表性的Mg和Al板材

图3 EBSD IPF图和(0002)和(1010)极图显示T4处理(a) AZMX1110和(b)商用AZ31合金薄板的微观结构和织构。

图4 (a) BF-STEM图像和(b-f) EDX元素图，显示了T4处理的AZMX1110样品中富含铝和锰的纳米级颗粒。

图5 EBSD IPF(反极图)图显示了(a)未变形(T4)和(b) 2%拉伸AZMX1110个样品的微观结构

图6双束亮场TEM图像显示了2%预拉伸AZMX1110样品的微观结构，这些图像是在(a) g=0002，(b) g=0-110，(c) g =0-111双束条件下拍摄的。

图7用相关的TEM-APT技术表征了预应变和烘烤硬化的AZMX1110样品的微观结构。(a)在g=01-10条件下，2%预拉伸试样获得的双束BF-TEM图像。(b)相同样品尖端的相关三维原子探针(3DAP)图，如(a)所示。(c)如(a)所示的(b)及其对应区域的叠加。(d)烘烤硬化样品g =01-11时得到的两束BF-TEM图像。(e)同样品尖端的相关3DAP图(d)，为0.48at.% Ca等浓度表面。(f) (e)与(d)中对应区域的叠加。

图8 (a)图7e中沿蓝色圆柱形区域(直径为8 nm)的1D组分剖面。(b)图7e中位错线处的局部溶质浓度示意图。位错核区Al、Zn和Ca的原子浓度显著高于基体区，说明时效过程中Al、Zn和Ca原子向位错核迁移。

用正交温度分析法对烘烤硬化的AMZX1110样品进行了微观结构表征表明，Al、Zn和Ca的原子析出至位错，并在聚集的同时促进了强化效果。BH AZMX1110薄板合金成功地克服了通常的成形性和强度之间的权衡关系，这一直阻碍了镁合金在汽车领域的应用。因此，本文的发现有望促进BH - Mg薄板合金在汽车工业中的应用。

图9从烘烤硬化AZMX1110合金中获得的(a) Mg和(b)溶质原子的3DAP元素映射。(c)在所选区域检测到Al、Zn和Ca簇

图10 (a) BF-TEM和(b) HAADF-STEM图像，显示烘烤硬化AZMX1110合金基体区域的微观结构。从矩阵区域记录的[1120]、[0110]和[0002]选定区域的衍射图样也在(a)中提供。

图11 AZMX1110合金的烘烤硬化机理研究。(a)经过高温溶液热处理，溶质原子溶解到α- Mg基体中。(b)通过预拉伸引入晶格缺陷，即基底位错。(c)在短时间时效过程中，溶质原子不仅分离到基位错，而且还形成小团簇。

图12 (a) HAADF-STEM图像和(b-e) EDX元素图，显示在T4处理的AZMX1110样品中Al、Zn和Ca的晶界分离

综上所述，本文采用低成本双辊铸造工艺生产了可烘烤硬化(BH)和室温(RT)可成形的Mg-1.3Al-0.8Zn-0.7Mn-0.5Ca (wt.%) (AZMX1110)合金板材。在RT条件下，由于弱的“四重”基织构，其Erichsen值指数为7.8 mm。通过烘烤硬化处理(即预拉伸2%，在170℃下时效20分钟)，该合金的屈服强度可以从177 MPa显著提高到238 MPa。该合金的烘烤硬化性约为40 MPa，可与目前用于制造汽车车身的低碳钢和中等强度铝合金相媲美。