吉林大学王慧远教授团队镁合金顶刊综述：强韧性镁合金设计和微观结构控制策略！

2022-06-06 15:04:29 作者：材料学网来源：材料学网分享至：

导读：镁（Mg）合金由于其固有的低密度和高比强度，是有前途的轻质结构材料，特别是在交通运输和航空航天领域。大多数高强度镁合金在室温下表现出较差的成形性和延展性，这限制了它们的广泛应用。通过适当的合金化设计和/或精细的微观结构控制，一些新开发的镁合金包括稀土（RE）和不含稀土的镁合金，在不显著降低强度的情况下表现出增强的延展性。本文为了找出其中的关键原因，从合金化设计策略和先进加工技术的微观结构控制等方面回顾了近期关于韧性镁合金的研究。在这篇综述中，本文从合金化设计策略和通过先进加工技术进行的微观结构控制方面回顾了具有增强延展性的镁合金的最新发展。它可以通过适当的合金化设计与智能微结构控制相结合，为制造具有增强的成形性和延展性的镁合金提供见解。

对于大多数镁合金来说，仍然难以实现高强度-塑性协同作用。为了克服权衡困境，一种方法是通过精心设计合金和定制加工路线来提高溶质原子的有效性，例如通过增加冷却速度和/或压力形成过饱和固溶体。过饱和固溶体中过多的溶质原子不仅可以产生额外的固溶强化以提高强度，而且还可以协同强化软模和/或促进非基底滑移的激活以提高延展性。而且，通过使用改进的和/或新颖的工艺路线来设计和控制所产生的微结构是至关重要的。实际上，最近的各种研究进展表明，引入多峰/双峰、梯度/层状异质结构、在超细晶结构中形成致密的纳米级析出物/团簇和纳米孪晶对于实现强度-延展性协同作用是有效的。在包括镁及其合金在内的金属材料中。

吉林大学王慧远教授团队在本综述中，从合金设计策略和通过改进或新颖的加工路线控制微观结构的角度介绍了高延展性镁合金的最新发展。回顾了合金化（稀土和非稀土）和先进加工路线（HPR、ECAP、ATMP等）对延展性的影响。合金化可显著提高镁合金的延展性，其原因在于强化基面滑移、激活非基面滑移、加速横向滑移、弱基面织构和显微组织细化。发现减少基础和非基础滑移系统之间 CRSS 值的差异对于确定 Mg 合金的延展性至关重要。

总之，提高溶质原子的有效性和调整微观结构的异质性有望为镁合金的未来发展铺平道路。在超细晶粒结构中形成致密的纳米级析出物/团簇和纳米孪晶对于实现包括镁及其合金在内的金属材料的强度-延展性协同作用是有效的。相关研究成果以题“Alloying design and microstructural control strategies towards developing Mg alloys with enhanced ductility”发表在镁合金顶刊Journal of Magnesium and Alloys上。

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

图 1。UTS与 Mg-RE 和无 RE 合金的伸长率之间的关系，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] 系统合金。两条虚线显示强度和延展性之间的权衡关系（香蕉曲线）。

合金化被认为是通过细化晶粒、弱化不利的强基面织构、强化基面滑移和激活非基面滑移系统或孪晶来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，对弱化基底纹理产生有益的影响，从而导致优异的室温延展性。例如，锻造 Mg-0.2Ce 合金的伸长率约为 38% ，挤压 Mg-1.6Zn-0.5Gd 合金[31]的伸长率约为 30% （图 1和表 1）。基于滑移轨迹分析，一些研究报告说，添加 Y 元素有助于激活非基底滑移，这提供了c轴应变调节，因此满足 Von Mises 标准。透射电子显微镜（TEM）研究进一步表明，Gd 元素可以增强非基底滑移活动。

图 2。（a） BRH-texture 和（b） basal-texture Mg-1Zn-1Sn-0.3Y-0.2Ca （ZTWX1100）样品的EBSD反极图（IPF）图、粒度分布和相应的（0002）极图。（c）相应的拉伸工程应力-应变曲线在 RT，和（d）应变硬化率与（c）的真实应变。RD、TD 和 ND 分别代表滚动、横向和法线方向。

在之前的工作中，我们发现 Mg-6Zn-0.2Ca 和 Mg-1Zn-1Sn-0.3Y-0.2Ca 合金由于显着的晶粒细化和新的基底-随机异构（BRH）纹理（图2），其中包含具有均匀分布的基本取向和随机取向的晶粒。需要进行更多的实验来进一步阐明 Ca 添加在 Mg 合金中的突出作用。

图 3。（a） EBSD取向图显示了 HPRed AZ91-1Y 样品中由粗 Al 2 Y 颗粒（区域 i）和完全再结晶（区域 ii）诱导的 PSN 的证据；（b）区域 i 的放大 SEM 图和 EDS 映射分析；（c）在区域 i [11]中，围绕 Al 2 Y 粒子的选定 GB 的取向错误（以度为单位）。

合金成分和含量对双峰晶粒结构的形成具有重要作用。在大多数报道的镁合金的情况下，双峰晶粒结构的形成归因于不完全和不均匀的动态再结晶（DRX）。对于高合金镁合金，例如 Mg-9Al-1Zn （AZ91）合金，往往会形成体积分数较高的第二相颗粒，这对 DRX 施加了双刃效应，即促进或延缓 DRX。粗颗粒（> 1 μm）可以通过颗粒刺激成核（PSN）触发DRX，而沿晶界的亚微米级相可以对DRX和晶粒生长产生钉扎效应，导致更细晶粒的形成，因此有利于双峰晶粒结构（图 3）。

图 4。多峰/双峰晶粒高合金镁合金与均质结构高合金镁合金的机械性能比较。两条虚线显示强度和延展性之间的权衡关系（香蕉曲线）。

为了揭示双峰晶粒结构对 Mg 合金变形行为和力学性能的影响，Wang 的小组阐明了细晶粒和粗晶粒的各自作用以及它们对双峰晶粒 Mg-Al 增强延展性的协同作用- Zn-（Sn）合金的断续拉伸试验。这表明多峰/双峰微观结构有利于提高 Mg-Al-Zn 合金的延展。在拉伸试验的初始阶段，变形主要由弱基层织构的细晶粒来调节。在变形后期，粗晶粒开始在储存位错方面发挥重要作用，从而促进加工硬化，与均匀的细晶粒镁合金相比，同时具有更高的强度和延展性。此外，发现屈服主要受UFGs / FGs中的基底滑动和CGs中的孪生共同控制。因此，提出了用于双峰晶粒 Mg-Al-Zn 合金的修正 Hall-Petch 方程，例如 Hall-Petch 斜率（ k ）为 290 和 507 MPa μm -1/2分别用于细粒和粗粒。在另一项关于双峰晶粒 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认为是 DRXed 细晶粒变形的主导因素和粗粮，分别。结果表明，粗晶粒通过转移细晶粒和粗晶粒之间的应变分配来抑制应变局部化，从而导致高延展性。

图 5。多峰/双峰晶粒低合金镁合金与均质结构低合金镁合金相比的机械性能。两条虚线显示强度和延展性之间的权衡关系（香蕉曲线）。

如今，成本在镁合金的进一步商业化中起着至关重要的作用。因此，鼓励开发具有高性能的低合金镁合金用于工业应用。一般来说，降低合金元素的含量会导致强度相对较低，因为缺乏固溶强化和第二相强化等多种强化机制。然而，多峰/双峰晶粒低合金镁合金显示出与商业高合金镁合金相比的强度。例如，苗等人生产了一种双峰晶粒 AZ31 合金，显示出约 330 MPa 的高 YS 和约 22% 的 EL。苏等人开发了一种双峰晶粒 AZ31 合金，表现出令人印象深刻的 53% 的高 EL 和相对较高的~270 MPa 的 UTS。代表性双峰晶粒低合金镁合金的机械性能如图 5 所示，包括均匀结构的镁合金。可以发现，双峰晶粒结构具有较高的强度和延展性，这为镁合金的潜在应用提供了有价值的指导。

图 6。示意图显示了（a）硬板轧制（HPR）和（b）波形模轧（WDR）的过程。

具有大应变的单道次轧制过程会导致镁合金中的非均匀变形和异质微观结构。然而，沿轧制方向（RD）具有极大剪切力的轧制技术由于容易开裂，很难用于制造镁合金板。为了解决严重的开裂问题，特别是高合金镁合金，王在吉林大学的研究提出了一种新的轧制技术，称为“硬板轧制（HPR）”，其中镁合金样品插入硬板之间，如图1所示6 （a）。由于硬板的变形比镁样品小，在 HPR 过程中，沿 RD 的部分剪切应力可以转化为沿法线方向（ND）的压应力，这有利于抑制轧制过程中裂纹的形成。基于 HPR，Wang 的小组也提出了一种新颖的非对称波形模轧（WDR），如图 6（b）所示。WDRed Mg-6Al-3Sn 合金表现出无边缘裂纹和高断裂伸长率（~23%），这是由于弱织构和倾斜的基峰。

图 7。（a-c） HPR 处理的 AZ91 合金在（a） 300 °C, （b） 350 °C, （c） 400 °C 下的 EBSD-OIM 图。（d-f） HPR 在 350 °C 下处理的 ATZ821 合金的EBSD图：（d） EBSD OIM 图和（e）所有晶粒和（f）细晶粒的相应织构。

采用HPR技术，不仅可以获得具有优良成形性的镁合金板材，而且还实现了高强塑性协同作用。例如，通过 HPR 在 350 °C 下加工的 AZ91 合金同时具有高强度和延展性，即极限抗拉强度（UTS）约为 371 MPa，断裂伸长率（EL）约为 23%。此外，通过应用类似的 HPR 过程，Zhang 等制备了 Mg-8Al-2Sn-1Zn （ATZ821）合金，该合金还表现出高强度和延展性（UTS 约为 362 MPa，延伸率约为 17%）。两种镁合金的改进拉伸性能都归因于双峰晶粒结构的形成（图 7（b）和（d））。此外，HPRed AZ91 合金在 400 °C 下通过 HPR 加工具有双峰晶粒结构，并在 573 K 下表现出约 580% 的显着拉伸伸长率[123] 。超塑性是通过粗晶粒内连续 DRX 和细晶粒区域内的晶界滑动（GBS）的协同过程来调节的。这些新发现对于设计具有多层次微观结构异质性的新型超塑性镁合金具有启发性。

图 8。UTS与 ECAPed 和 ATMPed 合金的伸长率之间的关系，包括 Mg-Al-Zn、Mg-Al-Sn、Mg-Zn-Ca、Mg-Zn-Zr和 Mg-RE 系统合金。两条虚线显示强度和延展性之间的权衡关系（香蕉曲线）。

ECAP 是获得兼具高强度和延展性的大块超细晶粒材料的最有效方法之一。过去几年 ECAP 加工的代表性高延展性镁合金的机械性能如图 8 所示。ECAP 对提高延展性的有益作用可以总结如下：促进基面滑移活动、提供额外的加工硬化能力、细化微观结构、促进非基面滑移等。重要的是，通过 ECAP 的独特剪切变形模式可以显着削弱镁合金的基底织构，从而提高延展性。

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