通过纳米沉淀和异质位错网络实现Al-Mg-Si-Cu合金的优异强度-延展性协同效应：实验与模拟

《Materials Science and Engineering: A》：Superior strength-ductility synergy in an Al-Mg-Si-Cu Alloy via nano-precipitation and heterogeneous dislocation network :Experiments and simulation

本研究首次采用真空带状铸造制备Al-Mg-Si-Cu合金，通过多步轧制与时效构建多尺度异质微观结构，实现强度（358±10 MPa）和延展性（24.6±5%）的协同提升。冷轧引入高密度位错作为沉淀形核位点，促进纳米级均匀析出，协同稳定的<111>∥RD轧制织构抑制颈缩，三维位错网络提供异质变形强化，纳米孪晶作为额外塑性耗散机制。

　　

Jianbin Wang|Yuanxiang Zhang|Jingda Liu|Junnan Shi|Yang Wang|Feng Fang|Guodong Wang

中国东北大学数字钢铁国家重点实验室（DSL），沈阳 110819

摘要

首次通过带状铸造制备了Al-Mg-Si-Cu合金。通过结合塑性变形，成功构建了多尺度异质微观结构，从而实现了优异的强度-延展性协同效应。该合金的抗拉强度达到358 ±10 MPa，比铸态提高了79%。总伸长率提高到24.6±5%，比铸态提高了167%。这种增强效应源于一种新提出的“变形-结构引导的可控沉淀”机制。在此过程中，冷轧引入的高密度位错作为沉淀核化位点，促进了关键纳米级沉淀物的均匀分布，并提供了强烈的Orowan强化效应；同时，稳定的<111>//RD轧制织构（一种强晶体纤维织构）形成了“微观结构模板”。介观尺度模拟表明，这种织构有助于均匀化应变分布并抑制颈缩现象。在拉伸变形过程中，三维位错网络提供了显著的异质变形强化作用。此外，在沉淀物内部观察到的纳米孪晶现象证实了在高应力下孪晶作为额外的塑性耗散机制。

引言

协调强度与塑性之间的内在反比关系是先进铝合金研发的核心瓶颈[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。在汽车工业中使用的众多轻质合金中，Al-Mg-Si-Cu合金因其优异的比强度、成型性、耐腐蚀性和良好的焊接性能而成为关键材料之一[6]、[7]。然而，通过传统铸造和热加工技术制备的这类合金常常存在凝固缺陷，如粗大的α-Al晶粒、共晶硅相形态恶化（例如脆性的针状结构）、宏观偏析和气孔[8]、[9]。此外，它们的机械性能，尤其是延展性和断裂韧性受到严重限制，这限制了它们在高端承重部件中的应用。

为了解决这些限制，通过协同热机械加工构建异质微观结构被认为是一种有效策略[10]、[11]、[12]。对于Al-Mg-Si-Cu合金而言，预变形引入的位错可以作为强化相的优先核化位点，从而加速沉淀动力学并促进沉淀物的细化分布[13]、[14]、[15]、[16]、[17]。然而，这种变形驱动的加速效应具有双重性：冷轧引入的位错促进了S相的快速核化和生长，但也导致了更快的粗化动力学[18]。此外，合金元素的微观偏析（如Cu）会影响沉淀稳定性及界面性质[19]、[20]。预变形还显著影响织构演变，从而有助于强化。例如，Li等人[21]研究表明，冷拔后位错与沉淀物之间的相互作用提高了合金的强度和导电性，因为塑性变形引入的高密度位错和空位为原子提供了快速扩散路径，显著加速了沉淀动力学。同样，Chen等人[22]观察到冷变形在AA3003合金中诱导了溶质在位错处的偏聚，促进了金属间相的析出。在织构演变方面，Wang等人[23]报告称，热轧和退火样品表现出主导的β-纤维织构，而随后的冷轧和退火则几乎完全转变为立方织构。Li等人[24]进一步指出，在Al-Zn-Mg-Cu合金中，高密度位错、织构强化、晶粒细化和纳米沉淀共同作用，使得固溶-冷轧-时效处理后的强度得到提升。同时，如带状铸造这样的亚快速凝固技术能够生产出细晶粒、低偏析的铝合金带材，其冷却速率高达10²–10⁵ K/s[25]、[26]、[27]，为进一步的热机械加工提供了理想的起始微观结构。然而，系统地结合带状铸造与定制的变形和时效处理来构建Al-Mg-Si-Cu合金的多尺度异质结构，以及清晰理解驱动强度-延展性协同效应的机制，目前仍大多处于探索阶段。据我们所知，尚未有系统研究使用真空带状铸造结合冷轧和时效处理Al-Mg-Si-Cu合金，并结合介观尺度模拟的研究。

因此，本研究提出了一种创新的复合制备方法，结合真空辅助带状铸造与多步轧制和时效处理，以构建Al-Mg-Si-Cu合金的多尺度、协同异质微观结构。通过扫描电子显微镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）和透射电子显微镜（TEM）等综合表征技术，系统分析了纳米沉淀物、位错配置、织构和断裂行为之间的相互作用。基于真实EBSD数据的有限元模拟进一步揭示了强<111>//RD纤维织构如何促进应变均匀化，以及三维位错网络如何贡献于异质变形诱导（HDI）强化。这种方法不仅提供了一种克服强度-延展性权衡的新途径，还引入了一种新的设计理念：利用变形结构来引导可控沉淀，以实现更优异的机械性能。

实验方法

Al-Mg-Si-Cu合金采用高纯度金属原料制备，包括纯Al（99.99%）、Al-20Si母合金、Al-50Cu母合金和纯Mg（99.95%），以及由东北大学数字钢铁国家重点实验室自主研发的真空双辊铸造机（图1a）。铸带的成分见表1。工艺参数设置如下：铸造速度为35 m/min，辊缝宽度为3 mm，铸造力为8 kN，熔池...

原始铸态

图3中通过真空薄带铸造制备的Al-Mg-Si-Cu合金原始铸带的EBSD分析显示，微观结构主要由α-Al基体（黑色区域）组成，β-Mg2Si和S-Al₂CuMg共晶相均匀分布在晶界之间。这些共晶相可以有效阻碍晶界迁移和位错运动，在合金中发挥第二相强化作用[28]、[29]。晶界分析...

位错机制

低角度晶界（LAGBs）可作为半定量指标，用于评估局部位错密度和储存能[53]。塑性加工过程中，LAGBs的比例从铸态的90.99%降低到冷轧状态的65.83%，再经过热轧后进一步降至16.17%。值得注意的是，冷轧合金中的LAGBs分布不均匀，呈现“局部富集-稀疏”状态（图10f）。这是由于Schmidt...

结论

这是首次报道通过真空搅拌、薄带铸造和轧制变形制备Al-Mg-Si-Cu合金的研究。主要结论如下：

• (1)
  轧制形成了强<111>∥RD纤维织构（在铝合金中常被称为“立方织构”，因为它使许多晶粒有利于滑移对齐）。这种织构通过优化晶粒取向显著提高了合金的变形能力——有效增加了平均Schmid...

作者贡献声明

Junnan Shi：资源提供。Yang Wang：撰写 – 审稿与编辑。Feng Fang：方法学研究。Guodong Wang：撰写 – 审稿与编辑、监督、概念构思。Jianbin Wang：撰写 – 初稿撰写、数据分析。Yuanxiang Zhang：验证、数据整理。Jingda Liu：方法学研究、数据分析。

未引用参考文献

[40]。

数据获取时间

数据可应要求提供。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了辽宁省联合科技计划（关键研发项目，2023JH2/101800045）和国家自然科学基金（U21A20116）的财政支持。