導(dǎo)讀：鎂（Mg）合金的延展性較差，原因是其非常尖銳的紋理源自有限的易激活滑移模式。雖然已經(jīng)采用了一些策略來獲得鎂多晶體中的弱織構(gòu)微結(jié)構(gòu)，但在提高延展性的同時(shí)，強(qiáng)度通常會(huì)出現(xiàn)不期望的下降。在這里，我們通過精心設(shè)計(jì)的軋制/退火工藝，制造出了具有獨(dú)特取向異質(zhì)結(jié)構(gòu)的稀 Mg-1Zn-1Sn-0.2Ca（重量百分比，ZTX110）合金，即均勻分布在傳統(tǒng)基體織構(gòu)中的非基體晶粒。取向異質(zhì)結(jié)構(gòu)顯示出卓越的延展性，是基底的 1.5 倍。利用一系列互補(bǔ)的表征技術(shù)揭示了取向異質(zhì)結(jié)構(gòu)在多長度尺度上的變形行為。基底晶粒和非基底晶粒之間強(qiáng)烈的晶間相互作用通過觸發(fā)非基底滑移改變了前者的變形行為。此外，取向異質(zhì)結(jié)構(gòu)還有利于防止宏觀裂紋的形成和擴(kuò)展，從而延緩塑性不穩(wěn)定性并增強(qiáng)延展性。取向異質(zhì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度改性取決于非基質(zhì)晶粒的體積分?jǐn)?shù)。取向異質(zhì)結(jié)構(gòu)的非基質(zhì)晶粒含量為 32%，強(qiáng)度沒有明顯下降，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的強(qiáng)度-延展性組合。異質(zhì)變形誘導(dǎo)（HDI）強(qiáng)化抵消了鎂合金因紋理弱化而導(dǎo)致的強(qiáng)度損失。這些發(fā)現(xiàn)提供了一種引入分散非基體晶粒以改善鎂合金機(jī)械性能的創(chuàng)新而可行的策略，并可推廣到其他六方緊密堆積合金。

鍛鎂（Mg）合金是一種很有前途的減重結(jié)構(gòu)材料，在運(yùn)輸和電子工業(yè)的輕量化應(yīng)用中吸引了越來越多的關(guān)注。然而，與鋁或鋼相比，鍛軋鎂合金在室溫下的強(qiáng)度相對(duì)較低，延展性較差，這是阻礙其廣泛應(yīng)用的一個(gè)長期障礙。

在過去幾年中，人們專門設(shè)計(jì)了雙峰晶?；螂p相等構(gòu)建異質(zhì)結(jié)構(gòu)的策略，以規(guī)避鋼、鋁和銅等金屬材料在強(qiáng)度-電導(dǎo)率之間的權(quán)衡。異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的強(qiáng)度-電導(dǎo)率協(xié)同作用是通過異質(zhì)結(jié)構(gòu)域之間機(jī)械不相容性引起的異質(zhì)變形誘導(dǎo)硬化（HDI）或應(yīng)變硬化來實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于 HCP 結(jié)構(gòu)的鎂而言，不同滑移系統(tǒng)之間的強(qiáng)各向異性導(dǎo)致具有不同晶體學(xué)取向的晶粒之間出現(xiàn)機(jī)械不相容性。然而，很少有研究闡明這種機(jī)械不相容性如何影響機(jī)械行為，以及如何利用多晶鎂的這種固有不相容性來提高強(qiáng)度和延展性。最關(guān)鍵的問題在于很難制造出同時(shí)包含基底（硬）和非基底（軟）晶向晶粒的鎂合金。

在不含稀土（RE）的鎂合金中，熱變形產(chǎn)生的強(qiáng)烈基底紋理很難在隨后的退火過程中引入非基底取向晶粒。另一方面，對(duì)于弱紋理鎂合金（如含 Mg-Zn-Ca、RE 的合金），溶質(zhì)拖曳效應(yīng)會(huì)促進(jìn)非基底晶粒的生長，同時(shí)限制基底晶粒的生長，因此基底紋理成分一般難以保留。最近，一些研究成功地制造出了具有雙紋理成分的鎂合金，即晶粒的 c 軸平行于法線方向（ND）和垂直于法線方向（ND）。然而，當(dāng)沿?cái)D壓或法線方向加載時(shí)，這兩種紋理成分都處于基底滑移的硬取向。因此，制造同時(shí)包含軟取向和硬取向晶粒的鎂合金并揭示取向異質(zhì)性如何影響機(jī)械響應(yīng)至關(guān)重要。    

吉林大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院王慧遠(yuǎn)等人設(shè)計(jì)了一種新型 Mg-0.93Zn-1.04Sn-0.19Ca (wt. %, ZTX110) 取向異質(zhì)結(jié)構(gòu)合金，并通過控制軋制和退火制造了這種合金。該合金具有優(yōu)異的強(qiáng)度-延展性組合，即取向異質(zhì)結(jié)構(gòu)的延展性是基底紋理合金的 1.5 倍，而強(qiáng)度沒有明顯降低。利用同步輻射 X 射線衍射、準(zhǔn)原位電子反向散射衍射（EBSD）、數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）等一系列互補(bǔ)表征技術(shù)，揭示了取向異質(zhì)結(jié)構(gòu)在多長度尺度上的變形行為。本研究的目的是建立微觀紋理與晶內(nèi)/晶間變形行為之間的相關(guān)性，填補(bǔ)利用不同取向晶粒之間的相互作用改善鎂合金機(jī)械性能的研究空白。

相關(guān)研究成果以“Understanding the deformation behaviours of Mg alloys with dispersed non-basal grain-embedded orientation heterostructures”發(fā)表在Acta Materialia上。    

鏈接： https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359645424000806

表 1. 不同微觀紋理樣品的加工參數(shù)

圖 1. (a) BT、(b) HT1 和 (c) HT2 樣品的 EBSD 逆極圖（IPF）；(0002) 和 (101?0) 極圖，以及基極遠(yuǎn)離 ND 的傾斜角（φ）分布。(101?0)極點(diǎn)圖和基底極點(diǎn)遠(yuǎn)離 ND 的傾斜角 (φ) 分布。(d, g) BT、(e, h) HT1 和 (f, i) HT2 樣品    

圖 2. 室溫下沿 RD 測試的 BT、HT1 和 HT2 樣品的典型拉伸工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。室溫下沿 RD 測試的 BT、HT1 和 HT2 樣品的典型拉伸工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表 2. 室溫下測試的 BT、HT1 和 HT2 樣品的拉伸性能    

圖 3. BT、HT1 和 HT2 樣品在單軸拉伸過程中沿 RD 的準(zhǔn)原位微觀結(jié)構(gòu)演變 (a, d, h) 初始；(b, e, i) ~3% 應(yīng)變；(c, f, j) ~10% 應(yīng)變；(g) 和 (k) ~17% 應(yīng)變

圖 4. BT、HT1 和 HT2 樣品在單軸拉伸過程中沿 RD 的準(zhǔn)原位（0002）紋理演變 (a, d, h) 初始；(b, e, i) ~3% 應(yīng)變；(c, f, j) ~10% 應(yīng)變；(g) 和 (k) ~17% 應(yīng)變    

圖5. BT (a) 和HT1 (b) 樣品在10%拉伸應(yīng)變后的同步加速器x射線衍射測量和擬合數(shù)據(jù)以及擬合數(shù)據(jù)與測量數(shù)據(jù)之間的強(qiáng)度差異。(c) 10%拉伸應(yīng)變后 BT 和 HT1 樣品的 、和型位錯(cuò)頻率，(d) 總位錯(cuò)密度、、和型位錯(cuò)密度          

圖 6. (a) BT、(d) HT1 和 (g) HT2 樣品在初始應(yīng)變（3%）和最終應(yīng)變（BT 為 10%，HT1 和 HT2 為 17%）階段的已識(shí)別滑移軌跡頻率；(0002) 離散極點(diǎn)圖。應(yīng)變）和最終（BT 為 10%，HT1 和 HT2 為 17%）變形階段的已識(shí)別滑移痕跡的頻率；（0002）離散極點(diǎn)圖 顯示了（b-c）BT、HT1 和 HT2 樣品在初始和最終變形階段涉及不同類型滑移痕跡的晶粒取向。(b-c)BT、(e-f)HT1 和 (h-i) HT2 樣品在初始和最終變形階段涉及不同類型滑移痕跡的晶粒取向；(j) 在 17% 應(yīng)變下，(j) HT1 和 (k) HT2 樣品軟/硬晶粒內(nèi)已識(shí)別的滑移痕跡的頻率    

圖 7. (a) 從 HT1 樣品中選取的感興趣區(qū)域的 IPF 圖，以及相應(yīng)的 (b) 基底滑移的 SF 分布。(c、e、g）標(biāo)量 GND 密度（單位 ?m -1 ）和（d、f、h）標(biāo)量離散度（單位 rad ?m -2 密度（單位：rad ?m -2 ）

圖 8. (a, g) 兩個(gè)代表性晶粒簇的 IPF 圖，(a) 選自 HT1 樣品，(g) 選自 HT2 樣品。b、h）和 10%拉伸應(yīng)變（c、i）后兩個(gè)晶粒簇的標(biāo)量 GND 密度（單位：?m -1）圖；3%（e、k）和 10%拉伸應(yīng)變（f、l）后兩個(gè)相關(guān)晶粒簇的相應(yīng)標(biāo)量離散密度（單位：rad ?m -2）圖；（d、j）極點(diǎn)圖（0002）中表示的晶體學(xué)取向    

圖 9. (a, e, i) IPF 圖、(b, c, f, g, j) SEM 圖和 (d, h, k) (0002) 極點(diǎn)圖顯示了三對(duì)晶粒的滑移轉(zhuǎn)移行為：(a-d) 軟晶粒 29 和軟晶粒 30，選自 HT2。(a-d)軟晶粒 29 和軟晶粒 30（選自 HT2 軟晶粒 29 和軟晶粒 30 顯示基底-基底型滑移；（e-h）軟晶粒 31 和硬晶粒 32 選自 HT1 軟晶粒 31 和硬晶粒 32 顯示基底-棱鏡型滑移；(i-k) 選自 BT 樣品的硬晶粒 33 和硬晶粒 34 顯示基底-基底型滑移。BT 樣品中的硬晶粒 33 和硬晶粒 34 顯示基底-基底型滑移    

圖 10. (a) BT、HT1 和 HT2 樣品中不同轉(zhuǎn)移滑移模式的頻率。(b-d) BT、HT1 和 HT2 樣品的 m' 系數(shù)與 BT、HT1 和 HT2 樣品晶界取向偏差的關(guān)系

圖 11. (a) BT、(b) HT1 和 (c) HT2 樣品的晶界錯(cuò)向分布。(d) 在軟-軟、軟-硬和硬-硬晶粒對(duì)中不同滑移傳遞模式的頻率    

圖 12. 顯示軟硬晶粒對(duì)在應(yīng)變?yōu)?3% 和 8% 時(shí)不同類型晶粒對(duì)之間應(yīng)變分布 (εxx) 演變的準(zhǔn)原位 SEM-DIC 圖：(a) IPF 圖，(b, c) DIC 圖，(d)  SFbasal 分布和 (e, f) SEM 圖像；軟-軟晶粒對(duì)：(g) IPF 和 (h, i) DIC 圖；硬-硬晶粒對(duì)：(j) IPF 和 (k, l) DIC 圖

圖 13. (a) 3% 拉伸變形后選定晶粒對(duì)的 EBSD-IPF 圖和相應(yīng)的 (b)SFbasal 圖。(c) 使用 g = [101?0] 時(shí)軟晶粒 41 的明場 TEM 圖像。(d)、(e) 使用 g = [112?0] 和 g =[0002] 時(shí)軟晶粒 42 的明場 TEM 圖像 圖 13. (a) 3% 拉伸變形后選定晶粒對(duì)的 EBSD-IPF 圖和相應(yīng)的 (b) SFbasal 圖。變形。(c) 使用 g = [101?0] 時(shí)軟晶粒 41 的明場 TEM 圖像。(d)、(e) 使用 g = [112?0] 和 g = [0002] 時(shí)軟晶粒 42 的明場 TEM 圖像

圖 14. (a) 顯示 BT 樣品斷裂時(shí) RD-TD 平面表面形態(tài)的低倍掃描電鏡圖像；(b) 5%拉伸應(yīng)變后 BT 樣品的放大掃描電鏡圖像，對(duì)應(yīng)的 (c) IPF 和 (d) SF 基底圖；(e) HT1 樣品斷裂時(shí) RD-TD 平面上表面形貌的低倍掃描電鏡圖像；(f) 17%拉伸應(yīng)變后 HT1 樣品的放大掃描電鏡圖像    

圖 15. (a) 感興趣區(qū)域的 IPF 圖，(b) 相應(yīng)的 SFbasal 圖，以及 (c) 10%拉伸應(yīng)變后的 SEM 顯微照片；（d）三個(gè)選定晶粒的 12 條可能軌跡的計(jì)算結(jié)果

表 3. 谷粒 48 的施密德因子計(jì)算值、谷粒 46 和 48 之間的 m'值、谷粒 47 和 48 之間的 m'值以及谷粒 48 的 Σm' 值、 以及晶粒 48 的 Σm' 值。(激活的滑移系統(tǒng)以藍(lán)色標(biāo)出，SF、 m'和 Σm' 的最高值用紅色標(biāo)出）

本研究設(shè)計(jì)并通過熱軋和再結(jié)晶退火制造出了一種新型取向異質(zhì)結(jié)構(gòu)鎂合金，該合金具有優(yōu)異的強(qiáng)度和延展性組合。實(shí)驗(yàn)觀察表明，延展性和強(qiáng)度的協(xié)同作用源于異質(zhì)結(jié)構(gòu)域之間的機(jī)械不相容性?；拙Я：头腔拙ЯＶg的相互作用會(huì)影響晶粒內(nèi)和晶粒間的變形行為。本研究的主要發(fā)現(xiàn)可歸納如下：            

(1)在所研究的合金中，軟域和硬域比例設(shè)計(jì)合理的取向異質(zhì)結(jié)構(gòu)（3:7，HT1 樣品）在強(qiáng)度和延展性方面表現(xiàn)出色：屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延展性分別為 152MPa、234MPa 和 17.4%。我們的研究結(jié)果表明，取向異質(zhì)結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的延展性，約為基底織構(gòu)合金的 1.5 倍，同時(shí)強(qiáng)度沒有明顯降低。           

(2)HT1 樣品的高延展性歸因于基底（硬）晶粒和非基底（軟）晶粒之間強(qiáng)烈的晶間相互作用，這有利于激活非基底滑移和更均勻的塑性變形。請(qǐng)注意，軟晶粒首先變形，并在異質(zhì)取向域之間產(chǎn)生應(yīng)變梯度，從而促進(jìn)相鄰硬晶粒的非基底滑移活動(dòng)。此外，軟硬晶粒的均勻分布有利于局部應(yīng)變?cè)趬K狀樣品中的均勻分散，從而延緩塑性不穩(wěn)定性，防止宏觀裂紋的形成和擴(kuò)展。         

(3)HT1 樣品的屈服強(qiáng)度沒有下降，這也源于取向異質(zhì)結(jié)構(gòu)，它可以在屈服過程中提供更高的 HDI 強(qiáng)度，抵消紋理弱化引起的軟化效應(yīng)。此外，軟硬界面有效促進(jìn)了位錯(cuò)的產(chǎn)生和增殖，提高了加工硬化能力，使 HT1 樣品獲得了更高的抗拉強(qiáng)度。取向異質(zhì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度改變?nèi)Q于軟晶粒的體積分?jǐn)?shù)。軟晶粒比例越高，晶間相互作用越弱，對(duì) HDI 強(qiáng)化和加工硬化的貢獻(xiàn)越小。