近日，材料领域国际期刊《Materials Research Letters》刊登镁合金表面强化领域研究论文“Significantly extending the gradient layer and mechanical properties of Mg alloys by texture optimization”，论文第一作者为江西省科学院管博博士，论文共同作者为：江西省科学院徐敬博士（通讯作者）、胡强研究员，南京工业大学信运昌教授（通讯作者）、研究生绪世媛，湖州师范学院李晓博士（通讯作者），重庆大学符锐博士，华东理工大学贾云飞教授。江西省科学院应用物理研究所为论文第一通讯单位。

一、全文速览

增加金属材料表面强化层的厚度以及硬度可以显著提升强韧性，目前已报道的镁合金表面强化层厚度通常小于700 μm。本文采用超声表面滚压工艺（USRP）在AZ31热轧板上制备梯度层。通过将USRP下压方向平行与轧制板材晶粒c轴转变为垂直于晶粒c轴，在140N静压力作用下获得的梯度层厚度从约500 μm提升至2000 μm。此方法使板材轧制方向拉伸时梯度层的强化效果提升一倍，同时保持了材料延展性。进一步研究表明，通过调控初始织构来扩展梯度层厚度与大量{10-12}孪晶的激活密切相关。

二、背景介绍

在材料内部构建具有纳米级晶粒表层和微米级晶粒芯部的空间梯度微观结构，可有效规避强度-塑性倒置问题，这归因于微观结构从微米尺度到纳米尺度的渐进塑性屈服。目前，包括超声表面滚压、表面机械喷丸处理和表面机械研磨处理等在内的多种表面强化技术已被用于制备梯度结构层。

获得更厚梯度层并提升其显微硬度极值能有效增强表面强化材料的力学性能。梯度微观结构及其力学行为取决于加工参数和材料本征特性。对于相同材料，采用不同表面强化方法时，更高载荷或更长处理时间通常有助于形成更厚梯度层。初始晶粒尺寸、层错能和合金元素对梯度层力学性能及微观结构的影响已得到广泛研究。通常，梯度层的最大显微硬度主要取决于化学成分，而梯度层厚度则主要取决于微观结构的加工硬化能力和强度。

在多晶材料中，织构对力学性能（如屈服强度、延伸率和应变硬化行为）具有显著影响。对于六方密排（hcp）结构的镁合金而言，这种影响与加载过程中激活的变形模式密切相关。hcp金属主要存在三种滑移模式：基面滑移、柱面滑移和锥面<c+a>滑移。此外，{10-12}孪生是协调塑性变形的重要机制。镁合金中基面滑移的临界分切应力最低；在特定加载路径或具有特定织构组分的样品中，柱面滑移和{10-12}孪生也可能成为主导变形模式。例如，对于具有强基面织构的轧制板材，沿法向（ND）压缩时基面滑移占主导，而沿横向（TD）压缩时则发生{10-12}孪生。

常用表面强化方法中，垂直于处理表面的压应力是引发表层塑性变形的重要应力分量。因此，镁合金在表面强化过程中的塑性变形模式会随加载路径或织构组分发生变化。然而迄今为止，织构对梯度层微观结构的影响及其对镁合金和其他hcp结构钛/锆合金力学性能的作用机制仍不明确。

三、本文亮点

本文采用具有强基面织构的AZ31镁合金作为研究对象。表面超声滚压过程中采用两种不同的加工路径进行处理：使加工平面分别垂直于轧制法向（ND）或横向（TD）。为便于表述，将这两种加工路径处理的样品分别称为"ND滚压"和"TD滚压"。在这两种路径下，压应力方向与晶粒c轴的取向关系存在显著差异—ND滚压时压应力方向与大多数晶粒的c轴平行，而TD滚压时则与c轴垂直。微观结构表征发现，在140 N的下压力条件下，ND滚压后的表面强化层的厚度约为500 μm，而TD滚压时，表面强化层的厚度超过2000 μm，显著高于已报道的镁合金表面强化层厚度。进一步力学性能测试发现，与ND滚压相比，TD滚压后镁合金强度更高，且没有损失塑性。

四、图文解析

图1 AZ31镁合金板材初始微观结构：（a）反极图（IPF）；（b）图（a）对应的极图；

（c）晶粒尺寸分布；（d）超声表面滚压（USRP）工艺示意图；（e）两种加工路径示意图

图2 AZ31镁合金板材在140N静压力USRP处理后的微观结构:（a）和（g）样品横截面SEM图像；

（b）和（h）距表面约50 μm深度处的明场TEM图像；（c）和（i）分别为（b）和（h）对应的晶粒尺寸分布；

（d）和（j）距表面约300 μm深度处的电子通道衬度（ECC）图像；

（e）、（k）、（f）和（l）分别为TD滚压和ND滚压样品在1000-1500 μm和1500-2000 μm深度处的EBSD界面图，其中红色标记为{10-12}孪晶界

图3 镁合金AZ31板材在ND滚压与TD滚压过程中梯度结构演变示意图

（加载力分别为28N、84N和140N）。图中红色标记表示{10-12}孪晶界

图4 梯度结构镁合金板材的力学性能：(a) ND滚压样品性能；(b) TD滚压样品性能；

(c) 屈服强度、抗拉强度与延伸率对比；(d) 织构调控对强塑协同效应的影响

五、总结

本研究对AZ31镁合金热轧板材采用两种不同路径的超声表面滚压（USRP）处理。通过将初始织构从晶粒c轴平行于USRP下压方向（ND滚压）调整为晶粒c轴垂直于USRP下压方向（TD滚压），TD滚压制备的梯度层厚度可达约2000 μm，显著高于ND滚压获得的梯度层厚度，约500 μm。更重要的是，TD滚压能激活大量{102}孪生，使得在远离表面、塑性应变极低的区域也能产生大量孪晶。在保持材料延展性的前提下，TD滚压的强化效果达到ND滚压的近两倍。