鎂合金拉壓不對稱性研究

曾志剛

摘 要：鎂合金的拉壓不對稱是限制其應(yīng)用的一個關(guān)鍵因素，從目前的研究來看，加入合金元素尤其是稀土元素來抑制{102}拉伸孿生的產(chǎn)生對降低不對稱性效果較好，細(xì)化晶粒也能起到較為顯著的效果。但解決問題的關(guān)鍵在于進(jìn)一步加深對織構(gòu)與孿生和非基面滑移的關(guān)系的認(rèn)知。出于鎂合金發(fā)展的需要，本文綜述了現(xiàn)階段對拉壓不對稱性的認(rèn)識，闡述了合金元素、晶粒尺寸、加工工藝等因素對鎂合金拉壓不對稱性的影響，指出了在降低拉壓不對稱性方面面臨的不足以及可能的解決途徑。

關(guān)鍵詞：拉壓不對稱 織構(gòu) 孿生 稀土元素 晶粒尺寸

加工工藝

鎂合金具有密度小、比強(qiáng)度和比剛度高、阻尼減震性好、電磁屏蔽效果佳等特點，這使得鎂及其合金在汽車、航空航天、電子器件等領(lǐng)域有著廣泛的潛在應(yīng)用。Mg為六方最密堆積（HCP）晶體結(jié)構(gòu)，可開動的滑移系統(tǒng)有限，在室溫下成型性較差。常規(guī)擠壓和軋制的鎂合金顯示出強(qiáng)烈的基面織構(gòu)，在該織構(gòu)處，基底平面主要平行于主要塑性流變方向排列，導(dǎo)致變形能力差和各向異性強(qiáng)[1]，產(chǎn)生明顯的拉伸-壓縮屈服不對稱，這極大程度上限制了鎂合金的應(yīng)用。

這種不對稱性可以通過幾種方式來改善，如弱化織構(gòu)、細(xì)化晶粒、加入合金元素和熱處理[1，2]。在近期的研究中向鎂及其合金中加入稀土元素（RE）是主流方法之一，如釓（Gd），釔（Y）。稀土元素的加入使得織構(gòu)弱化，拉壓時變形機(jī)制相近而減小拉壓屈服極限的差異，甚至出現(xiàn)反向拉-壓不對稱性。且稀土元素的加入本身就能提高鎂合金的機(jī)械性能起到強(qiáng)化作用，所以稀土元素對于改善上述不對稱性有很好的效果。

1 ?拉壓不對稱性機(jī)理

材料的機(jī)械性能對應(yīng)于相應(yīng)的變形機(jī)制，目前普遍認(rèn)為{102}拉伸孿生是具有織構(gòu)的鎂合金產(chǎn)生拉壓不對稱的主要原因?；?a>滑移和{102}拉伸孿生是鎂合金中最易被激活的變形方式，{102}拉伸孿生被激活所需的臨界應(yīng)力約為2～28MPa。鎂合金在沿ED/RD方向施加載荷時，拉伸時的主要變形模式是基底滑移非與基底滑移，而壓縮時是基底滑移與孿生。Xiong等人發(fā)現(xiàn)ZK60在TD方向拉-壓屈服強(qiáng)度幾乎相同，在ED方向表現(xiàn)出明顯的拉-壓不對稱性，ED和TD樣品之間拉伸-壓縮響應(yīng)的差異源于獨特的孿晶活動，這種孿晶活動與最初的基底織構(gòu)有著內(nèi)在的聯(lián)系。

2 ?合金元素對拉壓不對稱性的影響

稀土元素在鎂合金中起到弱化織構(gòu)的作用。鎂合金基面滑移和{102}拉伸孿生最易發(fā)生，導(dǎo)致變形時形成強(qiáng)基面織構(gòu)。Zhang等在鎂基體中加入2.5 at. %的Y，提出了一種有效降低整體變形響應(yīng)中的拉壓不對稱性，同時保持合金合適強(qiáng)度的方法。相比于基面織構(gòu)促進(jìn)了柱面滑移，該織構(gòu)促進(jìn)了基面滑移，同時Y的加入使得晶粒細(xì)化抑制了壓縮時的{102}孿生活動，因此拉壓時主導(dǎo)變形機(jī)制是基面滑移加柱面滑移，從而改善了拉壓不對稱性，而Y添加起到的固溶強(qiáng)化作用保持了合金適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度。

鎂合金最常見的強(qiáng)化元素是鋁和鋅，形成了鎂鋁系和鎂鋅系等鎂合金。這兩種合金系力學(xué)性能雖較優(yōu)，但面臨拉壓不對稱的問題。Sang等報道在Mg-Al系中添加錫（Sn）有效降低了拉壓不對稱性。這種降低與Y的添加降低拉壓不對稱性類似，即沉淀相對晶界的釘扎和晶粒的細(xì)化導(dǎo)致{102}孿生在壓縮時變得難以激活，提高了壓縮屈服強(qiáng)度。但Sn降低延展性的問題尚需進(jìn)一步研究，Wang和Shen等[研究了Mg-Sn系合金中加Y的含量對合金室溫延展性的影響，其指出{102}、{101}、{102}-{101}并非影響延展性的主要機(jī)制，而細(xì)化晶粒、改變織構(gòu)、高晶界凝聚力等可能是關(guān)鍵因素。

3 ?晶粒尺寸對拉壓不對稱性的影響

晶粒尺寸對鎂合金的拉壓不對稱性有顯著影響。目前通常通過粉末冶金（PM）和等通道轉(zhuǎn)角擠壓（ECAP）等方法制備超細(xì)晶金屬材料，但對材料的拉壓不對稱性的研究仍集中在傳統(tǒng)變形鎂合金。C.M.等研究了傳統(tǒng)多晶鎂合金的室溫拉壓不對稱性，其指出較細(xì)的晶粒將優(yōu)先發(fā)生基面滑移，且即使存在較強(qiáng)的基面織構(gòu)時基面滑移也將是變形的主導(dǎo)機(jī)制。相比之下，孿生較滑移受晶粒尺寸的影響更為明顯[3]，隨著晶粒的細(xì)化，{102}孿生將受到抑制，使得壓縮屈服強(qiáng)度接近甚至超過拉伸屈服強(qiáng)度。故拉壓不對稱的產(chǎn)生最終歸結(jié)為拉伸時啟動非基面滑移和壓縮時啟動孿生所需應(yīng)力不同，要降低這種不對稱，即為要強(qiáng)化孿晶至高于激活棱柱滑移所需的水平。

4 ?加工方式對拉壓不對稱性的影響

鎂合金的拉壓不對稱性將因加工工藝的不同而產(chǎn)生相應(yīng)的變化。這種變化與基體內(nèi)部織構(gòu)的變化，即與晶粒取向的改變有密切聯(lián)系。對鎂合金進(jìn)行擠壓塑性變形時，會形成{0001}中心織構(gòu)，此時大部分晶粒的{0001}基面與擠壓方向平行，導(dǎo)致在擠壓方向產(chǎn)生拉壓不對稱。

5 ?結(jié)語

隨著輕量化的發(fā)展，鎂合金拉壓不對稱性的解決將是進(jìn)一步擴(kuò)展鎂合金應(yīng)用的一個關(guān)鍵。產(chǎn)生拉壓不對稱的主要原因是{102}拉伸孿生和織構(gòu)。要解決拉壓不對稱性，一方面要進(jìn)一步了解孿生與織構(gòu)、滑移與織構(gòu)的關(guān)系，一方面就在于抑制{102}孿生和弱化織構(gòu)。研究表明，合金元素中以稀土元素對降低拉壓不對稱性的效果最佳，又以釔的添加最為顯著。而在稀土元素獲得廣泛關(guān)注的同時，隨之而來的成本問題又不得不去解決。

除了合金元素，其它因素諸如晶粒尺寸、溫度、沉淀相、加工方式等將會因?qū)坪蛯\生影響的不同而對鎂合金的拉壓不對稱性產(chǎn)生不同影響，但拉壓不對稱性降低的機(jī)理仍歸結(jié)為抑制{102}孿生和弱化織構(gòu)。也有報導(dǎo)稱存在2.7的臨界尺寸[3]，使得變形機(jī)制發(fā)生從孿生向滑移的轉(zhuǎn)變，這或許為謀求鎂合金高屈服強(qiáng)度條件下的拉壓對稱性提供了一種可能。

參考文獻(xiàn)：

[1] Ehsan Mostaed， Alberto Fabrizi， David Dellasega， et al. ? Grain size and texture dependence on mechanical properties， asymmetric behavior and low temperature superplasticity of ZK60 Mg alloy.Materials Characterization 107 （2015） 70–78

[2] Wenke Wang， Guorong Cui， Wencong Zhang， et al. ? Evolution of microstructure， texture and mechanical properties of ZK60 magnesium alloy in a single rolling pass.Materials Science &Engineering A

[3] Haidong Fan， Sylvie Aubry， Athanasios Arsenlis， et al.Grain size effects on dislocation and twinning mediated plasticity in magnesium.Scripta Materialia 112 （2016） 50–53