鎂合金塑性變形機制及動態(tài)再結(jié)晶研究進展*

李立云，曲周德

(天津職業(yè)技術師范大學天津市高速切削與精密加工重點實驗室，天津 300222)

0 引言

鎂合金以其低密度、高比強度和比剛度、良好的減震性和導熱性、絕佳的電磁屏蔽性、易切削、易回收等優(yōu)點，被譽為“21世紀綠色工程結(jié)構材料”［2］。相對于鑄造鎂合金，變形鎂合金以其低成本、高強度、高延展性、多樣化的力學性能，普遍應用于航天航空、汽車、國防軍工和電子等領域［3］。

影響變形鎂合金大量應用的關鍵原因是其晶體結(jié)構為HCP結(jié)構，塑性變形能力差［4］。探討鎂合金的塑性變形機理及中高溫變形過程中的動態(tài)再結(jié)晶行為，使提高鎂合金的塑性變形能力和綜合力學性能成為可能。

1 變形機制與再結(jié)晶行為

鎂合金兩大塑性變形機制分別是滑移和孿生。鎂屬于HCP結(jié)構，室溫時僅有1個滑移面(0001)，滑移面上有3 個密排方向＜1－1－20＞、＜2110＞和＜1210＞，即HCP晶體在室溫下只有3個滑移系，不能調(diào)和c軸方向的應變，需滑移和孿生的協(xié)作以促使塑性變形的進行。鎂合金主要的滑移面見圖1。

圖1 鎂合金主要的滑移面

低溫時，基面滑移及機械孿晶為主變形機制，基面滑移啟動所用臨界剪切應力(CRSS)很小，相對其他滑移系孿晶更容易啟動。中溫時，棱面滑移和錐面滑移開啟，且伴有交滑移。在高溫時，擴散過程主導鎂合金的塑性變形，且有位錯攀移產(chǎn)生，主要變形行為是位錯攀移［5］。鎂合金主要滑移與孿生關系見表1。

相較鋁合金鎂合金更易發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，隨著溫度不同其形成機理和微觀結(jié)構皆不相同。低溫下，具有非平衡晶界的細小動態(tài)再結(jié)晶晶粒被靠近孿晶界的高位錯區(qū)域的孿晶及晶格逐漸扭轉(zhuǎn)激化產(chǎn)生，此即典型的鎂及鎂合金低溫變形再結(jié)晶晶粒成形過程。而中溫時，塑性流動和動態(tài)再結(jié)晶形核被位錯的交滑移主導。高溫時，再結(jié)晶晶粒的成核由滑移線上局部微變形產(chǎn)成的晶界凸起引起［5］。

表1 鎂合金主要滑移與孿生關系

2 研究現(xiàn)狀

目前大量有關鎂合金塑性變形機理及動態(tài)再結(jié)晶機制的研究被學者們發(fā)起。由于鎂合金室溫塑性差，對于鎂合金的研究大都集中在中高溫。將從滑移機制、孿生行為及動態(tài)再結(jié)晶機制三方面進行綜述。

2．1 滑移機制研究現(xiàn)狀

變形溫度、變形速度、合金元素、晶粒大小和初始晶粒取向等均會影響鎂合金塑性變形［4］。其中，影響鎂合金滑移及塑性變形能力的關鍵要素是溫度，它不僅影響鎂合金的滑移模式而且能利用相組成改變其塑性變形能力。

研究表明，鎂合金室溫滑移的主要模式是基面滑移，室溫下，開啟基面滑移的CRSS為0．5～0．7 MPa左右，且穩(wěn)定性好。225℃時，激活棱柱面和錐面等潛在滑移系，柱面和錐面滑移的臨界剪切應力是基面滑移的100倍左右，且隨溫度上升而劇烈減小。300℃時，柱面滑移的臨界剪切應力值與基面滑移接近。

Koike等［6］認為協(xié)調(diào)變形引起的附加應力可以促進激活非基面滑移且細化晶?？梢杂行泳Ы缣幍睦庵婊?。S．R．Agnew等［7］在 AZ31鎂合金高溫塑性變形中發(fā)現(xiàn)，隨著溫度上升，錐面＜c+a＞滑移能大幅提高鎂合金塑性。Yasumasa等［8］認為晶粒尺寸小于10μm時可迅速啟動晶界處的柱面滑移，使鎂合金延展性增加。

2．2 孿生行為研究現(xiàn)狀

針對鎂合金的孿生行為，學者們開展了大量工作。孿晶的產(chǎn)生形式主要有:①由晶體形成過程中的形核及核心長大理論產(chǎn)生，如退火過程產(chǎn)生的退火孿晶，相變過程產(chǎn)生的相變孿晶;②在塑性變形過程形成生的變形孿晶［4］。

對于變形孿晶，{1012}孿生在鎂合金的塑性變形過程中起著重要的作用，是導致鎂合金低屈服、拉壓屈服不對稱以及各向異性等的主要原因。楊春花［9］等的研究表明，不同加工工藝的板材單向壓縮時孿生形式不同，且孿生變形對變形速度的敏感度根據(jù)孿生形式的不同而變化，且采用多道次軋制和退火處理均能細化晶粒，提高塑性。李小飛［10］通過實驗發(fā)現(xiàn)在不同變形量、晶粒取向、應變速下孿生行為差別很大，孿晶界附近位錯密集，晶粒尺寸隨著應變量的增大而增大。何杰軍等［11］也做了類似研究，且在擠壓態(tài)鎂合金中通過預變形引入片層狀{1012}孿晶對隨后拉伸、壓縮變形的力學行為有重要的影響?？谍埼洌?2］的研究表明，AZ31鎂合金經(jīng)預變形后退火處理可消除孿晶，減輕孿晶對鎂合金塑性變形的阻礙作用，提高塑性。蔣中華［13］發(fā)現(xiàn)AZ31鎂合金普通軋制板材沿軋向拉伸將形成{1011}壓縮孿晶。等徑角軋制能促進基面滑移開啟，提高塑性。黃海濤［14］深入研究了不均勻變形、應變狀態(tài)以及應變路徑對AZ31鎂合金孿生行為的作用，以及變形溫度和樣品取向?qū)Z31鎂合金由孿生主導變形向滑移主導變形轉(zhuǎn)變過程的作用。

2．3 動態(tài)再結(jié)晶研究現(xiàn)狀

改變變形溫度、應變速率、應變量與增加稀土元素均會作用于鎂合金變形機制，影響動態(tài)再結(jié)晶行為。鎂合金動態(tài)再結(jié)晶行為在很大程度上受變形溫度影響，其產(chǎn)生過程伴隨著熱量的產(chǎn)生。劉志民［15］研究發(fā)現(xiàn)，鑄軋AZ31鎂合金在熱加工時，中溫區(qū)和低應變速率區(qū)產(chǎn)生連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶，高溫區(qū)和高應變速率區(qū)則出現(xiàn)非連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶。何運斌［16］發(fā)現(xiàn)在ZK60鎂合金在熱變形過程中，平均動態(tài)再結(jié)晶體積分數(shù)隨溫度升高而增大，且變形更為均勻。

變形速度不僅影響動態(tài)再結(jié)晶過程中新晶粒的形成，而且對其晶粒大小亦有影響。蔣中華［13］認為在AZ31鎂合金軋制過程中，降低應變速率、升高變形溫度均會減少孿晶數(shù)目，關鍵軟化機理是連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶，而等徑角軋制過程更為明顯。胡麗娟等［17］發(fā)現(xiàn)變形溫度及應變率很大程度的決定穩(wěn)定動態(tài)再結(jié)晶的晶粒大小，400℃時，晶粒大小對應變率的改變尤為敏感。

臨界變形程度是判定動態(tài)再結(jié)晶能否發(fā)生的標準。此外，變形程度對動態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸也有很大程度的影響，增大變形程度可使晶格內(nèi)位錯密度增加、晶格畸變加劇，從而使新晶粒形核數(shù)目增多而細化晶粒。胡麗娟［17］的研究發(fā)現(xiàn)利用晶粒均勻性的臨界應變可有效地細化鎂合金晶粒。

合金元素尤其是稀土元素的加入亦會作用于動態(tài)再結(jié)晶過程。T．Al－Samman 等［18］的研究表明在相同變形條件下，鎂合金比純鎂晶粒尺寸小很多。K．Hantzsche等［19］研究加入稀土元素對鎂合金板材微觀組織和織構演化的作用后發(fā)現(xiàn)，稀土元素能抑制晶粒長大，且隨含量增加，效果更為顯著。

3 結(jié)語

目前，針對鎂合金的塑性變形機制和動態(tài)再結(jié)晶行為的研究大都在中高溫度，而對鎂合金低溫成形技術的研究較少，將是未來鎂合金研究的一個重要方向。工藝參數(shù)、加工工藝和合金元素對鎂合金的成形過程有重要的影響。改善已有的塑性加工工藝，研發(fā)新的塑性成形技術，增大孿生于塑性變形的貢獻，加大動態(tài)再結(jié)晶晶粒細化機制，對掌控鎂合金組織結(jié)構、提高塑性成形和材料力學性能具有重要意義，是未來鎂合金發(fā)展的主流方向。

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