導讀：本研究通過短流程制造工藝，發現商用鎂合金AZ31 (Mg-3Al-1Zn-0.3Mn)板材具有良好的延展性和彎曲成形性。在90°彎曲試驗中，未經過任何退火的短加工板材雖然具有較強的基底織構，但彎曲半徑較小，僅為其厚度的0.2倍。此外，它還可以承受反復折疊壓扁的直接變形。原位組織表征表明，彎曲區出現應變局部化的擴展孿晶帶。在隨后的壓扁過程中，這些孿晶帶經歷了去孿，降低了局部應變濃度，并實現了進一步的彎曲變形。這種優異的彎曲成形性源于動態再結晶晶粒內棱柱晶面上顯著的< a >型位錯環滑移。這些晶粒在較短的制造過程中均勻細化到幾微米，并表現出較低的殘余應變，此外，當在運動過程中繞過Al-Mn納米顆粒時，棱柱位錯活性進一步增強，體現了良好的延展性和彎曲成形性。

鎂(Mg)在結構金屬中質量最氫，鎂合金在汽車、鐵路、航空航天等行業具有輕量化和節能的巨大潛力。例如，近年來，在北美制造的家用汽車中，鎂合金的使用量以每年10-14%的速度增長。其原理很容易理解——車輛總重量中減少10%的重量，可以提高4-8%的燃油經濟性。汽車制造等行業迫切需要高性能和低成本的鎂合金薄板以替代目前使用的鋁和鋼板，用來制作結構部件，比如車身面板和地板。

然而，鎂合金薄板的制造通常需要復雜的熱機械過程，包括多次軋制和多次中間再加熱。由于工藝窗口小，擊穿機的厚度減薄通常控制在每次10%左右，擊穿后每道次減薄限制在10-30%，以避免邊緣開裂。制造周期的延長導致板材制造費用的增加和效率的降低。此外，鎂合金板材的使用還面臨著環境溫度下彎曲成形能力不足的局限。金屬板必須彎曲成所需的形狀通常為v形、u形和槽形，這是許多行業，特別是汽車、運輸和電子產品行業中，彎曲成形性是金屬板的重要性能要求，例如，在汽車制造中，高彎曲成形性是折邊等工藝的先決條件。鎂合金的彎曲成形性不足。

盡管提高鎂合金板材的彎曲成形性的工業需求很大，但與提高鎂合金的延展性和拉伸成形性的研究相比，關于鎂合金的研究還比較有限。到目前為止，鎂合金板材的彎曲成形性的主要方式是織構弱化，增加基底位錯滑移的活性。然而，迄今為止，這種方法下，樣品必須通過高壓扭轉，或以較慢速度和較低溫度進行加工——這兩種方法大大降低了加工效率，因此難以大規模生產。

最近，我們開發了一種薄板制造工藝，可以以正常軋制速度(4.8 m/min) 實現大規模工業生產鎂合金薄板。這種方法只需一次大應變平擠壓和1-3次熱軋(取決于板材最終厚度)。這大大縮短了鎂薄板采用常規多道次軋制的漫長制造過程，因此在本文中稱為“短工序”。使用該方法制備的鎂合金板材具有較高的彎曲成形性(補充視頻1)。本文以應用最廣的鎂合金成分AZ31合金為例，證明了該短工藝制備的板材具有可觀的延展性和優異的彎曲成形性。

湖南大學機械與車輛工程學院阮秋琦等教授相關研究以“Mechchanisticinvestigation of highbendable magnesium alloy sheet fabricated by short-process manufacturing”為題發表在Journal of Magnesium and Alloys上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2213956723002256

圖1所示。現場EBSD觀測彎曲和壓平過程的設置圖像和示意圖。通過有限元模擬，得到了原位彎曲試驗的內、外表面應力張量。有限元模擬的輸入參數如表1所示。

圖2所示。(a - d)從ED(RD)-TD面得到的(a)邊緣、(b)到邊緣、(c)擠壓帶材中心部分和(d)短加工板材的EBSD方向圖和相應的(0002)極點圖。(e, f)擠壓帶材和短加工板材中心部位的KAM圖。

圖3 (a) 采用Williamson-Hall方法進行AZ31短加工薄片的實驗測量和cmwp -擬合XRD譜圖;(b)基于峰展寬的微應變計算。

圖 4 (a)擠壓帶材和短加工板材的工程應力-應變曲線。插入顯示邊緣部分，到邊緣，和中心部分作為擠壓帶。(b)與文獻報道的AZ基合金的拉伸性能比較。

圖 5  (a)用直徑為10 mm的沖頭將1.5 mm厚的擠壓帶彎曲90°，(b)用直徑為0.2 mm和4 mm的沖頭將0.5 mm厚的短加工板彎曲90°和(c) 180°時，外表面和內表面的真應變隨彎曲角的變化規律。(a、b)中插入的照片顯示，板材成功彎曲90°，彎曲半徑為3.3T和0.2T， (c)中的照片顯示，板材(i)彎曲了約180°，(ii)隨后變平，(iii)反向彎曲了約90°，沒有任何可見的裂紋。從試驗臺取出后，彎曲的試樣被彈回。(d)本研究和文獻報道的軋制薄板和擠壓帶材的最小彎曲半徑，其厚度范圍在0.5 ~ 6.3 mm之間。這些樣品在室溫下被彎曲90度。(e)用直徑為0.2 mm和4mm的沖頭分別彎曲90°和180°的短加工試樣壓扁過程中應變演化的DIC結果。(e)中的照片來自彎曲和斑點樣品的左右相機，在壓平前與應變圖疊加。

圖6  彎曲和壓扁過程中的微觀結構和應變演化。(a - h)彎曲時沖床從(a, b) 2mm移動到(c, d) 4.7 mm，再移動到(e, f) 2mm和(g, h)彎曲時樣品RD-ND表面的原位EBSD取向圖和相應的晶粒取向展布圖(GOS)。(i)壓縮區孿晶面積分數(j)彎曲和壓扁過程中凸模位移的函數關系。

圖7 (a, b) EBSD取向圖和GOS圖顯示了彎曲AZ31板的雙帶相交和沿雙帶的局部應變。原位EBSD定向圖顯示彎曲過程中的(c-f)孿晶和壓平過程中的(f-h)去孿晶。(i - k)(0001)極形圖顯示了晶粒和孿晶(i)在軋制狀態下的取向，(j)彎曲4.7 mm的沖壓位置，(k)壓平后的取向。(l-n)原位GOS圖顯示，從4.7 mm沖孔位置到原始位置的壓平過程中，與脫孿生有關的GOS水平下降。

圖8 (a)當沖頭移動到4.7 mm位置時，試樣側面彎曲后的SEM圖像。可以區分拉伸、壓縮塑性變形區和彈性變形區。用有限元法計算了外表面0.039 ~內表面- 0.043的真實應變分布，給出了計算結果。中性線用黃色虛線表示，虛線向拉伸區偏移。根據晶粒取向擴展(GOS)圖，將塑性變形區域劃分為7個區域(標記為a - g)，每個區域的寬度為~ 50 um。給出了7個塑性變形區域和彈性變形區域的GOS。(b) A-G區晶粒內取向軸(IGMA)分析。

圖9 (a-d)彎曲至4.7 mm沖孔位移時拉伸區選定晶粒G1-G6的原位EBSD取向圖。(e)彎曲過程中所選六種顆粒的顆粒旋轉角度隨沖床位置的變化。(f, g)各顆粒彎曲至(f) 2-mm和(g) 4.7 mm沖孔位置后的IGMA反極圖。(h)從拉伸區隨機選取100個晶粒彎曲至4.7 mm沖孔位置后的IGMA類型、mbasal和mprism/mbasal。

圖10 (a, d)短加工態和(e - h)擠壓態AZ31試樣的原位SEM觀察，當測試儀的十字頭按試樣長度移動(a, e) 0%， (b, e) 10%， (e, f) 15%， (d, h) 20%時。用藍色箭頭突出顯示的表面特征用于跟蹤同一區域(用白色矩形突出顯示)。(i - 1)高倍拉伸試驗中擠壓態AZ31的觀察。(i) EBSD方向圖，(j)對應的KAM圖，(k, l)局部區域延伸率為6.9%和10.0%時的SEM圖像。白色矩形突出了與變形晶粒I和II相鄰的再結晶晶粒。(1)中的紅色和黃色箭頭分別表示晶粒I中存在晶內裂紋，晶粒I和晶粒II之間存在嚴重變形。(m)擠壓態AZ31拉伸率為10.0%時沿TD的局部應變和裂紋(綠色矩形突出顯示)。

圖11. (a, b)短加工AZ31在SEM原位拉伸階段被拉長13.6%后的兩張SEM圖像。(c)確定滑移跡的16個顆粒的EBSD取向圖。根據它們的方位，可以得到基底滑移、棱柱滑移(3個變量)和錐體II滑移(6個變量)的軌跡方向。通過將潛在滑動軌跡與SEM圖像中觀察到的滑動軌跡進行匹配，確定了滑動軌跡為基底滑動軌跡。

圖12. 拉伸過程中選定晶粒變形的現場觀察及晶粒內取向偏差分析。(a-d)加工階段和拉伸率分別為7.6%、10.8%和16.2%時的SEM表面觀察。(a)中的紅色箭頭突出顯示了用于跟蹤黑色幀中同一區域的表面特征。根據黑框的形狀變化計算局部應變。(e, f)處理階段和延伸16.2%后的EBSD取向圖。(g) 16.2%延長率后各晶粒的IGMA反極圖。

圖13. (a) g1 = 0002， (b) g2 = 013， (c) g3 = 101。(c)中大多數位錯是不可見的，g1 = 0002, g2 = 013，因此，這些位錯的Burgers向量為[110]。(d)高倍鏡下g = 0002條件下可見的位錯和層錯。(a)和(d)中的綠色箭頭顯示了g1 = 0002條件下可見的位錯，表明它們要么是[c]，要么是< c + a >。入射光束幾乎平行于矩陣的[20]。在衍射條件為g3 = 101的條件下，捕獲了補充視頻6的原位TEM圖像。

圖14. 原位TEM圖像序列及相應的位錯行為示意圖。(a, b) < a >位錯的直線螺桿分量在棱柱平面上的湮滅。在插圖(b)中顯示了湮滅后仍然存在的無柄段，并作為進一步位錯的來源(c-h)。入射光束幾乎平行于矩陣的[20]，且g = 101。

圖15 (a)短加工AZ31板材明場和(b)高角度環形暗場圖像，以及(c) Mg、(d) Al、(e) Mn、(f) Zn元素的EDX元素映射。

圖16 (a)本研究與文獻的CRSSprism /CRSSbasal比值吻合較好。(b) CRSSprism /CRSSbasa比值與晶粒尺寸和位錯密度的函數關系，以及位錯引起的剪應力增量與位錯密度的函數關系。

圖17 來自文獻的數據回顧關于(a) Mg擠壓和軋制合金和(b)擠壓和軋制AZ31合金在不同條件下的伸長率和晶粒尺寸。

圖18 (a)基于Williamson-Hall法峰展寬的微應變計算;(b)前人研究中低溫擠壓AZ31的實驗測量和cmwp -擬合XRD譜圖。

在本研究中，開發了一種由大應變擠壓和隨后的熱軋組成的短制造工藝，以生產延展性和可彎曲的AZ31薄板。采用有限元法對彎曲變形進行了模擬。通過多尺度原位SEM、EBSD和TEM監測其微觀組織演變，研究了其在拉伸和彎曲試驗中的變形模式。主要結論如下:

（1） 短加工AZ31板材具有良好的延展性，在彎曲試驗中也表現出優異的成形性。與擠壓態相比，其強度和總伸長率分別提高了224 MPa和27%。在90°冷彎試驗中，其最小彎曲半徑僅為0.2T，遠小于擠壓帶材(~ 3.3T)。

（2） 短加工AZ31板材可承受彎曲-壓扁，然后以較小的彎曲半徑(4T)進行反向彎曲。在試樣的壓縮區，在彎曲過程中形成延伸孿晶帶，但在壓平后通過脫孿而消失。脫孿生減輕了與孿晶帶相關的局部高應變，導致應變緩慢增加且分布均勻，從而實現了進一步彎曲的可能性。

（3） 通過與不同擠壓軋制條件下的AZ31相比較，該工藝可以在短時間內均勻地實現晶粒細化和低殘余應變。這樣的組織導致了明顯的加工硬化能力和隨后拉伸和彎曲過程中的均勻塑性變形，從而延緩了沿TD發生的晶內裂紋和應變局部化。

（4） 對于基底織構較強的AZ31板材，其明顯的延展性和優異的彎曲成形性源于細化至幾微米的動態再結晶晶粒內棱柱晶面上明顯的< a >型位錯環滑動。由于晶界有效硬化，棱柱位錯滑移的相對激活應力遠低于基底滑移(CRSS prism / CRSSbasal僅為~ 1.6)。