重庆大学《JMST》：累积叠轧层状铝合金复合材料的弯曲断裂行为
通过不同方法合成的复合材料已经得到了广泛的研究，包括纤维增强复合材料、颗粒增强复合材料和层状复合材料(LMCs)。在传统材料中，LMC具有密度低、强度高、耐高温、耐腐蚀、耐冲击等优点，被认为是在航空航天、汽车等工业环境中有应用前景的结构材料。多种工艺（如滚压复合、挤压复合和爆炸复合）已被用于制造各种LMC。软硬层在LMC中的配置符合增韧的需求。层状结构中软层的引入降低了硬层的体积分数，改变了变形过程中裂纹的扩展，导致裂纹偏转、裂纹桥接或界面分层。已有报道研究厚度比、堆垛顺序和成分对LMC断裂韧性的影响，然而对于不同层数的LMC复合材料的力学行为和增韧机理研究较少。
重庆大学的研究人员采用累积叠轧焊(ARB)工艺制备了不同厚度比和不同层数的AA1100/AA7075 LMCs。研究了AA1100/AA7075复合材料的力学性能及其断裂行为。讨论了结构变化对增韧机理的影响。相关论文以题为“Effect of lamellar structural parameters on the bending fracture behavior of AA1100/AA7075 laminated metal composites”发表在Journal of Materials Science & Technology。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.04.075
本研究使用材料为1.5mm厚的AA1100-H24和2mm厚的AA7075-O。采用热ARB法制备多层Al/Al复合材料，经过堆叠辊压后成功制备了320层、640层和1280层的AA1100/AA7075试样(简称AA1100/AA7075(3:4))。为了分析层厚比对AA1100/AA7075 LMC力学性能的影响，采用1 mm厚的AA1100和4 mm厚的AA7075板材，在相同的轧制和堆焊条件下制备了厚度为4mm的5层复合材料(简称AA1100/AA7075(1:4))。
研究发现不同厚度比的AA1100/AA7075 LMC的应变分布差异明显，提高较软的1100Al层的体积分数可以容纳更多的变形，促进韧性效果的提高。相比于AA1100/AA7075(1:4)试样的弯曲强度，AA1100/AA7075(3:4)试样的弯曲强度下降主要是由于7075Al层的掺混率降低所致。而在AA1100/AA7075(3:4)试样中，受裂纹桥接层厚度限制的裂纹扩展抗力有利于弯曲韧性和延性的提高。
图1 不同厚度比AA1100/AA7075(1:4)和AA1100/AA7075(3:4)LMC的SEM图和ODF图
图2 不同厚度比AA1100/AA7075LMC的工程应力-应变曲线和两个试件对应的断裂部位应变分布
图3 (a)弯曲试验中使用的不同厚度比试件；(b)不同厚度比试样的弯曲应力-应变曲线；(c)和(d)分别为两个试件具有预缺口和有效应力分布的弯曲模型
图4 不同厚度比AA1100/AA7075LMC在不同位移下的应变分布
(a, b) AA1100/AA7075(3:4)；(c, d) AA1100/AA7075(1:4)
图5 多层AA1100/AA7075复合材料的滚压界面演变和320层、640层、1280层的显微组织与放大形貌
本文研究了厚度比和层数对Al/Al合金LMC增韧机理的影响。即使在1280层的板材中，ARB制备的AA1100/AA7075LMCs仍然保持连续平直的界面结构，这归因于较高的轧制温度和重复的中间退火过程。随着层数的增加，1280层试样的韧性比层数较少的低。可以认为，除了厚度效应外，裂纹挠度和界面分层也对韧性的提高起到了重要作用。本文为Al/Al合金LMC设计提供了理论基础。（文：破风）
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重庆大学《JMST》性能、优化及应用视角开展SLM镁合金综述
讨论了SLM过程中缺陷的形成机理，总结了SLM在力学性能、抗氧化性和耐腐蚀性方面的特点。从宏观和微观两方面综述了当前的优化方案。首先，明确了工艺参数与成形性和材料性能之间的关系，并对试验设计、物理模型设计和机器学习的先进优化方法进行了评估。其次，综述了合金元素、复合增强和后处理对SLMed镁合金组织和性能的影响。最后展望了未来的应用发展前景。该工作对更好地科学认识SLMed镁合金有重要帮助，并为今后镁合金制造工作提出了一些有意义的指导意见。
镁凭借其特殊的力学性能、优异的浇注性和可加工性、高阻尼特性、热稳定性、高导热性等被誉为“21世纪绿色工程结构材料”。 与Ti、Al、钢和Ni合金相比，Mg及其合金具有良好的生物降解性和生物相容性，被视为革命性的生物材料，促进了生物医学的发展。作为航空航天和机械运输中最轻的结构金属，镁合金在科学和商业领域的需求不断增长。
轻量化结构在航空航天、汽车运输和其他领域至关重要。镁及其合金作为最轻的结构金属材料之一，受到了广泛关注，在汽车工业中可以显著减轻车身质量。然而，由于其独特的性能和晶体结构，镁合金的发展并非一帆风顺，铸件的成形性和品质难以获得满意的结果。
增材制造(AM)在制备高性能、个性化零件方面受到了广泛关注。其冷却速度快，组件不受形状的限制，可以制造复杂的结构特征。在某些情况下，AM零件的力学性能更有可能得到提高。运用AM原理，可以显著降低原材料消耗。
虽然增材制造为生产镁合金零件提供了更多的可能性，但镁合金的激光成形性差给激光激光加工的应用带来了不利的影响。基于此，重庆大学潘复生研究团队综述了近年来选区激光熔化（SLMed）镁合金的研究现状，分析了其宏观缺陷、力学性能、抗氧化性能和耐腐蚀性能等主要问题。综述了目前国内外在优化SLMed镁合金成形性能和性能方面的研究进展。研究结果以题为“Selective laser melting of magnesium alloys: Necessity, formability, performance, optimization and applications”发表于期刊《Journal of Materials Science & Technology》。
目前对SLMed镁合金的研究主要集中在工艺因素对其品质、组织和特性的影响上。大多数研究都是通过重复试验来确定合适的工艺参数，导致成本高。应着重发展可以预测缺陷和微观结构的模拟方法。将机器学习（ML）与物理原理相结合，可以探索最佳的加工窗口并预测性能。。基于第一性原理和热力学，ML方法还可用于设计用于SLMed镁合金的特殊成分，以满足各种领域的应用。
目前对多组分镁合金和稀土镁合金的研究，以及镁挥发热力学和动力学鲜有报道。开发多组分镁合金，研究其组成、析出相和组织演化机制，将进一步稳定和提高SLMed镁合金的性能。
利用增强颗粒制备复合增强材料具有广阔的前景，但是如何增强颗粒与基材之间的界面润湿性是需要考虑的问题。在Mg基体中加入硬质增强颗粒，虽然强度和断裂韧性有所提高，但模量有所降低。未来需要进一步探讨平衡弹性模量和抗压强度的问题。
Mg-RE合金的特殊组织和成分增强了其抗蠕变性能。SLM对改善微观结构具有积极意义。因此进一步研究和开发SLMed MgRE合金的耐高温成分设计和显微组织演变是当务之急。
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