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吉林大學王慧遠教授團隊鎂合金頂刊綜述：強韌性鎂合金設計和微觀結構控制策略！

2022-06-06 15:04:29 作者：材料學網來源：材料學網分享至：

導讀：鎂（Mg）合金由于其固有的低密度和高比強度，是有前途的輕質結構材料，特別是在交通運輸和航空航天領域。大多數高強度鎂合金在室溫下表現出較差的成形性和延展性，這限制了它們的廣泛應用。通過適當的合金化設計和/或精細的微觀結構控制，一些新開發的鎂合金包括稀土（RE）和不含稀土的鎂合金，在不顯著降低強度的情況下表現出增強的延展性。本文為了找出其中的關鍵原因，從合金化設計策略和先進加工技術的微觀結構控制等方面回顧了近期關于韌性鎂合金的研究。在這篇綜述中，本文從合金化設計策略和通過先進加工技術進行的微觀結構控制方面回顧了具有增強延展性的鎂合金的最新發展。它可以通過適當的合金化設計與智能微結構控制相結合，為制造具有增強的成形性和延展性的鎂合金提供見解。

對于大多數鎂合金來說，仍然難以實現高強度-塑性協同作用。為了克服權衡困境，一種方法是通過精心設計合金和定制加工路線來提高溶質原子的有效性，例如通過增加冷卻速度和/或壓力形成過飽和固溶體。過飽和固溶體中過多的溶質原子不僅可以產生額外的固溶強化以提高強度，而且還可以協同強化軟模和/或促進非基底滑移的激活以提高延展性。而且，通過使用改進的和/或新穎的工藝路線來設計和控制所產生的微結構是至關重要的。實際上，最近的各種研究進展表明，引入多峰/雙峰、梯度/層狀異質結構、在超細晶結構中形成致密的納米級析出物/團簇和納米孿晶對于實現強度-延展性協同作用是有效的。在包括鎂及其合金在內的金屬材料中。

吉林大學王慧遠教授團隊在本綜述中，從合金設計策略和通過改進或新穎的加工路線控制微觀結構的角度介紹了高延展性鎂合金的最新發展。回顧了合金化（稀土和非稀土）和先進加工路線（HPR、ECAP、ATMP等）對延展性的影響。合金化可顯著提高鎂合金的延展性，其原因在于強化基面滑移、激活非基面滑移、加速橫向滑移、弱基面織構和顯微組織細化。發現減少基礎和非基礎滑移系統之間 CRSS 值的差異對于確定 Mg 合金的延展性至關重要。

總之，提高溶質原子的有效性和調整微觀結構的異質性有望為鎂合金的未來發展鋪平道路。在超細晶粒結構中形成致密的納米級析出物/團簇和納米孿晶對于實現包括鎂及其合金在內的金屬材料的強度-延展性協同作用是有效的。相關研究成果以題“Alloying design and microstructural control strategies towards developing Mg alloys with enhanced ductility”發表在鎂合金頂刊Journal of Magnesium and Alloys上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2213956722000998

圖 1。UTS與 Mg-RE 和無 RE 合金的伸長率之間的關系，包括 Mg-Y [25]、Mg-Nd [ 28、29 ] 、Mg-Ce [ 17、30 ] 、Mg -Gd [31] 、 Mg- Tb [55] , Mg-Ho [55] , Mg-Er [55] , Mg-Al-Zn [56] , [57] , [58] , Mg-Al-Mn [ 56 , 57 , 59 ], Mg -Li-Zn [60]和 Mg-Zn-Ca [ 13 , 61] 系統合金。兩條虛線顯示強度和延展性之間的權衡關系（香蕉曲線）。

合金化被認為是通過細化晶粒、弱化不利的強基面織構、強化基面滑移和激活非基面滑移系統或孿晶來提高延展性的有效方法。添加稀土（RE）元素，包括 Y、Nd、Ce、Gd和Er，對弱化基底紋理產生有益的影響，從而導致優異的室溫延展性。例如，鍛造 Mg-0.2Ce 合金的伸長率約為 38% ，擠壓 Mg-1.6Zn-0.5Gd 合金[31]的伸長率約為 30% （圖 1和表 1）。基于滑移軌跡分析，一些研究報告說，添加 Y 元素有助于激活非基底滑移，這提供了c軸應變調節，因此滿足 Von Mises 標準。透射電子顯微鏡（TEM）研究進一步表明，Gd 元素可以增強非基底滑移活動。

圖 2。（a） BRH-texture 和（b） basal-texture Mg-1Zn-1Sn-0.3Y-0.2Ca （ZTWX1100）樣品的EBSD反極圖（IPF）圖、粒度分布和相應的（0002）極圖。（c）相應的拉伸工程應力-應變曲線在 RT，和（d）應變硬化率與（c）的真實應變。RD、TD 和 ND 分別代表滾動、橫向和法線方向。

在之前的工作中，我們發現 Mg-6Zn-0.2Ca 和 Mg-1Zn-1Sn-0.3Y-0.2Ca 合金由于顯著的晶粒細化和新的基底-隨機異構（BRH）紋理（圖2），其中包含具有均勻分布的基本取向和隨機取向的晶粒。需要進行更多的實驗來進一步闡明 Ca 添加在 Mg 合金中的突出作用。

圖 3。（a） EBSD取向圖顯示了 HPRed AZ91-1Y 樣品中由粗 Al 2 Y 顆粒（區域 i）和完全再結晶（區域 ii）誘導的 PSN 的證據；（b）區域 i 的放大 SEM 圖和 EDS 映射分析；（c）在區域 i [11]中，圍繞 Al 2 Y 粒子的選定 GB 的取向錯誤（以度為單位）。

合金成分和含量對雙峰晶粒結構的形成具有重要作用。在大多數報道的鎂合金的情況下，雙峰晶粒結構的形成歸因于不完全和不均勻的動態再結晶（DRX）。對于高合金鎂合金，例如 Mg-9Al-1Zn （AZ91）合金，往往會形成體積分數較高的第二相顆粒，這對 DRX 施加了雙刃效應，即促進或延緩 DRX。粗顆粒（> 1 μm）可以通過顆粒刺激成核（PSN）觸發DRX，而沿晶界的亞微米級相可以對DRX和晶粒生長產生釘扎效應，導致更細晶粒的形成，因此有利于雙峰晶粒結構（圖 3）。

圖 4。多峰/雙峰晶粒高合金鎂合金與均質結構高合金鎂合金的機械性能比較。兩條虛線顯示強度和延展性之間的權衡關系（香蕉曲線）。

為了揭示雙峰晶粒結構對 Mg 合金變形行為和力學性能的影響，Wang 的小組闡明了細晶粒和粗晶粒的各自作用以及它們對雙峰晶粒 Mg-Al 增強延展性的協同作用- Zn-（Sn）合金的斷續拉伸試驗。這表明多峰/雙峰微觀結構有利于提高 Mg-Al-Zn 合金的延展。在拉伸試驗的初始階段，變形主要由弱基層織構的細晶粒來調節。在變形后期，粗晶粒開始在儲存位錯方面發揮重要作用，從而促進加工硬化，與均勻的細晶粒鎂合金相比，同時具有更高的強度和延展性。此外，發現屈服主要受UFGs / FGs中的基底滑動和CGs中的孿生共同控制。因此，提出了用于雙峰晶粒 Mg-Al-Zn 合金的修正 Hall-Petch 方程，例如 Hall-Petch 斜率（ k ）為 290 和 507 MPa μm -1/2分別用于細粒和粗粒。在另一項關于雙峰晶粒 Mg-8.2Gd-3.8Y-1Zn-0.4Zr （wt.%）合金的研究中，基底滑移和棱柱滑移被認為是 DRXed 細晶粒變形的主導因素和粗糧，分別。結果表明，粗晶粒通過轉移細晶粒和粗晶粒之間的應變分配來抑制應變局部化，從而導致高延展性。

圖 5。多峰/雙峰晶粒低合金鎂合金與均質結構低合金鎂合金相比的機械性能。兩條虛線顯示強度和延展性之間的權衡關系（香蕉曲線）。

如今，成本在鎂合金的進一步商業化中起著至關重要的作用。因此，鼓勵開發具有高性能的低合金鎂合金用于工業應用。一般來說，降低合金元素的含量會導致強度相對較低，因為缺乏固溶強化和第二相強化等多種強化機制。然而，多峰/雙峰晶粒低合金鎂合金顯示出與商業高合金鎂合金相比的強度。例如，苗等人生產了一種雙峰晶粒 AZ31 合金，顯示出約 330 MPa 的高 YS 和約 22% 的 EL。蘇等人開發了一種雙峰晶粒 AZ31 合金，表現出令人印象深刻的 53% 的高 EL 和相對較高的~270 MPa 的 UTS。代表性雙峰晶粒低合金鎂合金的機械性能如圖 5 所示，包括均勻結構的鎂合金。可以發現，雙峰晶粒結構具有較高的強度和延展性，這為鎂合金的潛在應用提供了有價值的指導。

圖 6。示意圖顯示了（a）硬板軋制（HPR）和（b）波形模軋（WDR）的過程。

具有大應變的單道次軋制過程會導致鎂合金中的非均勻變形和異質微觀結構。然而，沿軋制方向（RD）具有極大剪切力的軋制技術由于容易開裂，很難用于制造鎂合金板。為了解決嚴重的開裂問題，特別是高合金鎂合金，王在吉林大學的研究提出了一種新的軋制技術，稱為“硬板軋制（HPR）”，其中鎂合金樣品插入硬板之間，如圖1所示6 （a）。由于硬板的變形比鎂樣品小，在 HPR 過程中，沿 RD 的部分剪切應力可以轉化為沿法線方向（ND）的壓應力，這有利于抑制軋制過程中裂紋的形成。基于 HPR，Wang 的小組也提出了一種新穎的非對稱波形模軋（WDR），如圖 6（b）所示。WDRed Mg-6Al-3Sn 合金表現出無邊緣裂紋和高斷裂伸長率（~23%），這是由于弱織構和傾斜的基峰。

圖 7。（a-c） HPR 處理的 AZ91 合金在（a） 300 °C, （b） 350 °C, （c） 400 °C 下的 EBSD-OIM 圖。（d-f） HPR 在 350 °C 下處理的 ATZ821 合金的EBSD圖：（d） EBSD OIM 圖和（e）所有晶粒和（f）細晶粒的相應織構。

采用HPR技術，不僅可以獲得具有優良成形性的鎂合金板材，而且還實現了高強塑性協同作用。例如，通過 HPR 在 350 °C 下加工的 AZ91 合金同時具有高強度和延展性，即極限抗拉強度（UTS）約為 371 MPa，斷裂伸長率（EL）約為 23%。此外，通過應用類似的 HPR 過程，Zhang 等制備了 Mg-8Al-2Sn-1Zn （ATZ821）合金，該合金還表現出高強度和延展性（UTS 約為 362 MPa，延伸率約為 17%）。兩種鎂合金的改進拉伸性能都歸因于雙峰晶粒結構的形成（圖 7（b）和（d））。此外，HPRed AZ91 合金在 400 °C 下通過 HPR 加工具有雙峰晶粒結構，并在 573 K 下表現出約 580% 的顯著拉伸伸長率[123] 。超塑性是通過粗晶粒內連續 DRX 和細晶粒區域內的晶界滑動（GBS）的協同過程來調節的。這些新發現對于設計具有多層次微觀結構異質性的新型超塑性鎂合金具有啟發性。

圖 8。UTS與 ECAPed 和 ATMPed 合金的伸長率之間的關系，包括 Mg-Al-Zn、Mg-Al-Sn、Mg-Zn-Ca、Mg-Zn-Zr和 Mg-RE 系統合金。兩條虛線顯示強度和延展性之間的權衡關系（香蕉曲線）。

ECAP 是獲得兼具高強度和延展性的大塊超細晶粒材料的最有效方法之一。過去幾年 ECAP 加工的代表性高延展性鎂合金的機械性能如圖 8 所示。ECAP 對提高延展性的有益作用可以總結如下：促進基面滑移活動、提供額外的加工硬化能力、細化微觀結構、促進非基面滑移等。重要的是，通過 ECAP 的獨特剪切變形模式可以顯著削弱鎂合金的基底織構，從而提高延展性。

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