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吉林大學(xué)王慧遠(yuǎn)教授團(tuán)隊(duì)鎂合金頂刊綜述：強(qiáng)韌性鎂合金設(shè)計(jì)和微觀結(jié)構(gòu)控制策略！

2022-06-06 15:04:29 作者：材料學(xué)網(wǎng) 來(lái)源：材料學(xué)網(wǎng) 分享至：

導(dǎo)讀：鎂（Mg）合金由于其固有的低密度和高比強(qiáng)度，是有前途的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，特別是在交通運(yùn)輸和航空航天領(lǐng)域。大多數(shù)高強(qiáng)度鎂合金在室溫下表現(xiàn)出較差的成形性和延展性，這限制了它們的廣泛應(yīng)用。通過(guò)適當(dāng)?shù)暮辖鸹O(shè)計(jì)和/或精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)控制，一些新開發(fā)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(qiáng)度的情況下表現(xiàn)出增強(qiáng)的延展性。本文為了找出其中的關(guān)鍵原因，從合金化設(shè)計(jì)策略和先進(jìn)加工技術(shù)的微觀結(jié)構(gòu)控制等方面回顧了近期關(guān)于韌性鎂合金的研究。在這篇綜述中，本文從合金化設(shè)計(jì)策略和通過(guò)先進(jìn)加工技術(shù)進(jìn)行的微觀結(jié)構(gòu)控制方面回顧了具有增強(qiáng)延展性的鎂合金的最新發(fā)展。它可以通過(guò)適當(dāng)?shù)暮辖鸹O(shè)計(jì)與智能微結(jié)構(gòu)控制相結(jié)合，為制造具有增強(qiáng)的成形性和延展性的鎂合金提供見(jiàn)解。

對(duì)于大多數(shù)鎂合金來(lái)說(shuō)，仍然難以實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度-塑性協(xié)同作用。為了克服權(quán)衡困境，一種方法是通過(guò)精心設(shè)計(jì)合金和定制加工路線來(lái)提高溶質(zhì)原子的有效性，例如通過(guò)增加冷卻速度和/或壓力形成過(guò)飽和固溶體。過(guò)飽和固溶體中過(guò)多的溶質(zhì)原子不僅可以產(chǎn)生額外的固溶強(qiáng)化以提高強(qiáng)度，而且還可以協(xié)同強(qiáng)化軟模和/或促進(jìn)非基底滑移的激活以提高延展性。而且，通過(guò)使用改進(jìn)的和/或新穎的工藝路線來(lái)設(shè)計(jì)和控制所產(chǎn)生的微結(jié)構(gòu)是至關(guān)重要的。實(shí)際上，最近的各種研究進(jìn)展表明，引入多峰/雙峰、梯度/層狀異質(zhì)結(jié)構(gòu)、在超細(xì)晶結(jié)構(gòu)中形成致密的納米級(jí)析出物/團(tuán)簇和納米孿晶對(duì)于實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度-延展性協(xié)同作用是有效的。在包括鎂及其合金在內(nèi)的金屬材料中。

吉林大學(xué)王慧遠(yuǎn)教授團(tuán)隊(duì)在本綜述中，從合金設(shè)計(jì)策略和通過(guò)改進(jìn)或新穎的加工路線控制微觀結(jié)構(gòu)的角度介紹了高延展性鎂合金的最新發(fā)展。回顧了合金化（稀土和非稀土）和先進(jìn)加工路線（HPR、ECAP、ATMP等）對(duì)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(qiáng)化基面滑移、激活非基面滑移、加速橫向滑移、弱基面織構(gòu)和顯微組織細(xì)化。發(fā)現(xiàn)減少基礎(chǔ)和非基礎(chǔ)滑移系統(tǒng)之間 CRSS 值的差異對(duì)于確定 Mg 合金的延展性至關(guān)重要。

總之，提高溶質(zhì)原子的有效性和調(diào)整微觀結(jié)構(gòu)的異質(zhì)性有望為鎂合金的未來(lái)發(fā)展鋪平道路。在超細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)中形成致密的納米級(jí)析出物/團(tuán)簇和納米孿晶對(duì)于實(shí)現(xiàn)包括鎂及其合金在內(nèi)的金屬材料的強(qiáng)度-延展性協(xié)同作用是有效的。相關(guān)研究成果以題“Alloying design and microstructural control strategies towards developing Mg alloys with enhanced ductility”發(fā)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(wú) RE 合金的伸長(zhǎng)率之間的關(guān)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(tǒng)合金。兩條虛線顯示強(qiáng)度和延展性之間的權(quán)衡關(guān)系（香蕉曲線）。

合金化被認(rèn)為是通過(guò)細(xì)化晶粒、弱化不利的強(qiáng)基面織構(gòu)、強(qiáng)化基面滑移和激活非基面滑移系統(tǒng)或?qū)\晶來(lái)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(duì)弱化基底紋理產(chǎn)生有益的影響，從而導(dǎo)致優(yōu)異的室溫延展性。例如，鍛造 Mg-0.2Ce 合金的伸長(zhǎng)率約為 38% ，擠壓 Mg-1.6Zn-0.5Gd 合金[31]的伸長(zhǎng)率約為 30% （圖 1和表 1）。基于滑移軌跡分析，一些研究報(bào)告說(shuō)，添加 Y 元素有助于激活非基底滑移，這提供了c軸應(yīng)變調(diào)節(jié)，因此滿足 Von Mises 標(biāo)準(zhǔn)。透射電子顯微鏡（TEM）研究進(jìn)一步表明，Gd 元素可以增強(qiáng)非基底滑移活動(dòng)。

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(yīng)的（0002）極圖。（c）相應(yīng)的拉伸工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線在 RT，和（d）應(yīng)變硬化率與（c）的真實(shí)應(yīng)變。RD、TD 和 ND 分別代表滾動(dòng)、橫向和法線方向。

在之前的工作中，我們發(fā)現(xiàn) Mg-6Zn-0.2Ca 和 Mg-1Zn-1Sn-0.3Y-0.2Ca 合金由于顯著的晶粒細(xì)化和新的基底-隨機(jī)異構(gòu)（BRH）紋理（圖2），其中包含具有均勻分布的基本取向和隨機(jī)取向的晶粒。需要進(jìn)行更多的實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)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(qū)域 i）和完全再結(jié)晶（區(qū)域 ii）誘導(dǎo)的 PSN 的證據(jù)；（b）區(qū)域 i 的放大 SEM 圖和 EDS 映射分析；（c）在區(qū)域 i [11]中，圍繞 Al 2 Y 粒子的選定 GB 的取向錯(cuò)誤（以度為單位）。

合金成分和含量對(duì)雙峰晶粒結(jié)構(gòu)的形成具有重要作用。在大多數(shù)報(bào)道的鎂合金的情況下，雙峰晶粒結(jié)構(gòu)的形成歸因于不完全和不均勻的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶（DRX）。對(duì)于高合金鎂合金，例如 Mg-9Al-1Zn （AZ91）合金，往往會(huì)形成體積分?jǐn)?shù)較高的第二相顆粒，這對(duì) DRX 施加了雙刃效應(yīng)，即促進(jìn)或延緩 DRX。粗顆粒（> 1 μm）可以通過(guò)顆粒刺激成核（PSN）觸發(fā)DRX，而沿晶界的亞微米級(jí)相可以對(duì)DRX和晶粒生長(zhǎng)產(chǎn)生釘扎效應(yīng)，導(dǎo)致更細(xì)晶粒的形成，因此有利于雙峰晶粒結(jié)構(gòu)（圖 3）。

圖 4。多峰/雙峰晶粒高合金鎂合金與均質(zhì)結(jié)構(gòu)高合金鎂合金的機(jī)械性能比較。兩條虛線顯示強(qiáng)度和延展性之間的權(quán)衡關(guān)系（香蕉曲線）。

為了揭示雙峰晶粒結(jié)構(gòu)對(duì) Mg 合金變形行為和力學(xué)性能的影響，Wang 的小組闡明了細(xì)晶粒和粗晶粒的各自作用以及它們對(duì)雙峰晶粒 Mg-Al 增強(qiáng)延展性的協(xié)同作用- Zn-（Sn）合金的斷續(xù)拉伸試驗(yàn)。這表明多峰/雙峰微觀結(jié)構(gòu)有利于提高 Mg-Al-Zn 合金的延展。在拉伸試驗(yàn)的初始階段，變形主要由弱基層織構(gòu)的細(xì)晶粒來(lái)調(diào)節(jié)。在變形后期，粗晶粒開始在儲(chǔ)存位錯(cuò)方面發(fā)揮重要作用，從而促進(jìn)加工硬化，與均勻的細(xì)晶粒鎂合金相比，同時(shí)具有更高的強(qiáng)度和延展性。此外，發(fā)現(xiàn)屈服主要受UFGs / FGs中的基底滑動(dòng)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(xì)粒和粗粒。在另一項(xiàng)關(guān)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(rèn)為是 DRXed 細(xì)晶粒變形的主導(dǎo)因素和粗糧，分別。結(jié)果表明，粗晶粒通過(guò)轉(zhuǎn)移細(xì)晶粒和粗晶粒之間的應(yīng)變分配來(lái)抑制應(yīng)變局部化，從而導(dǎo)致高延展性。

圖 5。多峰/雙峰晶粒低合金鎂合金與均質(zhì)結(jié)構(gòu)低合金鎂合金相比的機(jī)械性能。兩條虛線顯示強(qiáng)度和延展性之間的權(quán)衡關(guān)系（香蕉曲線）。

如今，成本在鎂合金的進(jìn)一步商業(yè)化中起著至關(guān)重要的作用。因此，鼓勵(lì)開發(fā)具有高性能的低合金鎂合金用于工業(yè)應(yīng)用。一般來(lái)說(shuō)，降低合金元素的含量會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度相對(duì)較低，因?yàn)槿狈倘軓?qiáng)化和第二相強(qiáng)化等多種強(qiáng)化機(jī)制。然而，多峰/雙峰晶粒低合金鎂合金顯示出與商業(yè)高合金鎂合金相比的強(qiáng)度。例如，苗等人生產(chǎn)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(fā)了一種雙峰晶粒 AZ31 合金，表現(xiàn)出令人印象深刻的 53% 的高 EL 和相對(duì)較高的~270 MPa 的 UTS。代表性雙峰晶粒低合金鎂合金的機(jī)械性能如圖 5 所示，包括均勻結(jié)構(gòu)的鎂合金。可以發(fā)現(xiàn)，雙峰晶粒結(jié)構(gòu)具有較高的強(qiáng)度和延展性，這為鎂合金的潛在應(yīng)用提供了有價(jià)值的指導(dǎo)。

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

具有大應(yīng)變的單道次軋制過(guò)程會(huì)導(dǎo)致鎂合金中的非均勻變形和異質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)。然而，沿軋制方向（RD）具有極大剪切力的軋制技術(shù)由于容易開裂，很難用于制造鎂合金板。為了解決嚴(yán)重的開裂問(wèn)題，特別是高合金鎂合金，王在吉林大學(xué)的研究提出了一種新的軋制技術(shù)，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(guò)程中，沿 RD 的部分剪切應(yīng)力可以轉(zhuǎn)化為沿法線方向（ND）的壓應(yīng)力，這有利于抑制軋制過(guò)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(duì)稱波形模軋（WDR），如圖 6（b）所示。WDRed Mg-6Al-3Sn 合金表現(xiàn)出無(wú)邊緣裂紋和高斷裂伸長(zhǎng)率（~23%），這是由于弱織構(gòu)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(xì)晶粒的相應(yīng)織構(gòu)。

采用HPR技術(shù)，不僅可以獲得具有優(yōu)良成形性的鎂合金板材，而且還實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)塑性協(xié)同作用。例如，通過(guò) HPR 在 350 °C 下加工的 AZ91 合金同時(shí)具有高強(qiáng)度和延展性，即極限抗拉強(qiáng)度（UTS）約為 371 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率（EL）約為 23%。此外，通過(guò)應(yīng)用類似的 HPR 過(guò)程，Zhang 等制備了 Mg-8Al-2Sn-1Zn （ATZ821）合金，該合金還表現(xiàn)出高強(qiáng)度和延展性（UTS 約為 362 MPa，延伸率約為 17%）。兩種鎂合金的改進(jìn)拉伸性能都?xì)w因于雙峰晶粒結(jié)構(gòu)的形成（圖 7（b）和（d））。此外，HPRed AZ91 合金在 400 °C 下通過(guò) HPR 加工具有雙峰晶粒結(jié)構(gòu)，并在 573 K 下表現(xiàn)出約 580% 的顯著拉伸伸長(zhǎng)率[123] 。超塑性是通過(guò)粗晶粒內(nèi)連續(xù) DRX 和細(xì)晶粒區(qū)域內(nèi)的晶界滑動(dòng)（GBS）的協(xié)同過(guò)程來(lái)調(diào)節(jié)的。這些新發(fā)現(xiàn)對(duì)于設(shè)計(jì)具有多層次微觀結(jié)構(gòu)異質(zhì)性的新型超塑性鎂合金具有啟發(fā)性。

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

ECAP 是獲得兼具高強(qiáng)度和延展性的大塊超細(xì)晶粒材料的最有效方法之一。過(guò)去幾年 ECAP 加工的代表性高延展性鎂合金的機(jī)械性能如圖 8 所示。ECAP 對(duì)提高延展性的有益作用可以總結(jié)如下：促進(jìn)基面滑移活動(dòng)、提供額外的加工硬化能力、細(xì)化微觀結(jié)構(gòu)、促進(jìn)非基面滑移等。重要的是，通過(guò) ECAP 的獨(dú)特剪切變形模式可以顯著削弱鎂合金的基底織構(gòu)，從而提高延展性。

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