鎂合金拉伸壓縮不對稱性的影響因素及控制方法

宋 波 ，辛仁龍，孫立云，陳 剛，劉 慶

(1. 重慶大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400044；2. 西南大學(xué) 材料與能源學(xué)部，重慶 400715)

為了應(yīng)對全球能源與環(huán)境問題，開發(fā)比強(qiáng)度高且易回收的綠色結(jié)構(gòu)材料是未來發(fā)展的方向之一。因此，具有低密度、高比強(qiáng)度和比剛度且易于回收等優(yōu)點(diǎn)的鎂合金受到國內(nèi)外研究學(xué)者的廣泛關(guān)注[1]。近十多年來，關(guān)于密排六方結(jié)構(gòu)(HCP)鎂合金塑性變形機(jī)制及加工工藝的研究取得了極大的進(jìn)展，并形成了具有鎂合金特色的塑性變形理論[2-4]。與立方結(jié)構(gòu)金屬相比，鎂合金的各向異性行為是鎂合金獨(dú)特的變形特征，從而也獲得了廣泛的研究興趣。特別地，大多數(shù)鎂合金在拉伸和壓縮時(shí)會表現(xiàn)出明顯不同的屈服強(qiáng)度，即拉伸壓縮屈服不對稱性(Tension-compression yield asymmetry，TCYA)[5]。由于一些結(jié)構(gòu)件材料(如支撐橫梁)的使用會同時(shí)承受拉伸和壓縮應(yīng)力，因此，TCYA的存在限制了這些鎂合金結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用。此外，用于交通工具及日常用品等行業(yè)的鎂合金材料，通常在服役期間會受到反復(fù)的應(yīng)力加載。TCYA的存在也會影響反復(fù)加載的疲勞壽命且增加了性能評估的難度[6-7]。因此，研究鎂合金中TCYA的微觀機(jī)理、影響因素及控制方法，對于鎂合金的設(shè)計(jì)以及進(jìn)一步廣泛的應(yīng)用具有重要的意義。本文作者基于此背景及近期國內(nèi)外研究成果，綜述了鎂合金TCYA的影響因素及控制方法，并提出此領(lǐng)域研究的展望。

1 拉伸壓縮不對稱性的形成機(jī)理

大多數(shù)鎂合金為HCP結(jié)構(gòu)，這樣的低對稱性導(dǎo)致了各個(gè)滑移系啟動的臨界剪切應(yīng)力(σcr)相差很大。室溫下，單晶鎂的基面滑移最易開動，其σcr僅為0.5~0.7 MPa，而非基面滑移的σcr約為基面滑移的100倍[8-9]。因此，單晶鎂有強(qiáng)的塑性各向異性。此外，和其他HCP合金一樣，孿生是鎂合金重要的塑性變形機(jī)制[5]。特別地，{1 012}拉伸孿晶的σcr遠(yuǎn)小于非基面滑移，因此在常溫下很容易開動[5]。 拉伸孿晶的激活會極大地降低鎂合金材料的屈服強(qiáng)度。然而，孿生能否發(fā)生與晶體的c/a值及外加載荷的方式有很大的關(guān)系[10]。對于軸比約為1.624(＜3)的鎂合金而言，{1 012}拉伸孿晶只有在平行于晶粒c軸受拉伸應(yīng)力或者垂直于c軸受壓縮應(yīng)力時(shí)才能發(fā)生[10]。因此，孿生的產(chǎn)生具有極性。這也是導(dǎo)致拉伸壓縮不對稱性的主要因素。對于單晶鎂而言，沿c軸拉伸時(shí)，拉伸孿晶的發(fā)生致使屈服應(yīng)力和塑性變形初始階段的加工硬化率都很低，從而表現(xiàn)出明顯的TCYA，如圖1所示[11]。

圖1 鎂單晶體在不同應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線[11]Fig. 1 Stress-strain curves of magnesium single crystal at different stress states[11]

與單晶不同的是，在多晶鎂合金的研究中發(fā)現(xiàn)非基面滑移與基面滑移的σcr為 3~17[12-14]。越來越多的研究發(fā)現(xiàn)柱面滑移在多晶鎂合金塑性變形過程中起重要作用[15-16]，然而，在多晶鎂合金中，拉伸孿晶的σcr依然遠(yuǎn)小于非基面滑移的，并在塑性變形中起到重要的作用[5]。此外，HCP結(jié)構(gòu)的鎂合金在加工和變形過程中很容易產(chǎn)生織構(gòu)[17-18]。如鎂合金軋制過程中會形成強(qiáng)的基面織構(gòu)，即晶粒的c軸平行于板材法向(ND)[17]。因此，在平行于軋制方向(RD)的應(yīng)力狀態(tài)下，基面滑移難以激活。在沿著RD壓縮時(shí)，拉伸孿晶極易產(chǎn)生，而沿著RD拉伸時(shí)孿生被抑制。從而壓縮時(shí)的屈服強(qiáng)度要遠(yuǎn)低于拉伸的。圖 2所示為軋制態(tài)ZK60板的拉伸和壓縮曲線及變形3%時(shí)的顯微組織。沿RD方向壓縮3%后產(chǎn)生了大量的拉伸孿晶，而拉伸3%后基體中幾乎沒有孿晶。大量的拉伸孿晶的發(fā)生致使壓縮屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)小于拉伸屈服強(qiáng)度，表現(xiàn)出明顯的拉伸壓縮屈服不對稱性。

綜上可知，織構(gòu)化鎂合金的TCYA主要源于孿生的極性。因此，減小或消除拉伸壓縮不對稱可從以下兩個(gè)方面著手：其一，減小孿晶在鎂合金塑性變形過程中的貢獻(xiàn)；其二，降低拉伸和壓縮過程中主導(dǎo)變形機(jī)制間σcr的差值。一般而言，TCYA采用壓縮屈服強(qiáng)度(σcys)與拉伸屈服強(qiáng)度(σtys)的比值(σcys/σtys)來衡量。這個(gè)值越接近1代表拉伸壓縮屈服不對稱性越小。

2 拉壓不對稱性的影響因素及控制方法

2.1 織構(gòu)的影響

對于鎂合金織構(gòu)與性能的關(guān)系，國內(nèi)外研究學(xué)者已進(jìn)行了大量的研究[19-22]。在較低溫度下(＜150 ℃)，初始織構(gòu)對鎂合金單軸拉伸和壓縮時(shí)的變形行為(屈服強(qiáng)度、應(yīng)變硬化行為)有極大的影響[2]。圖3所示為加載方向(LD)與擠壓棒的擠壓方向(ED)成不同角度樣品的拉伸和壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線[22]。當(dāng)加載方向與擠壓方向平行時(shí)(0°)，材料表現(xiàn)出很高的TCYA。而隨著這一角度的增加，材料的TCYA降低。可見，初始織構(gòu)對鎂合金材料的 TCYA和變形行為都有極大的影響。織構(gòu)對金屬材料力學(xué)行為的影響主要?dú)w因于在不同應(yīng)力狀態(tài)下啟動的主導(dǎo)變形模式(包括滑移和孿生)不同?；坪蛯\生的開動一般都受取向因子(Schmid factor，F(xiàn)S)控制。對于鎂合金而言，一個(gè)變形模式?jīng)Q定的屈服應(yīng)力可通過計(jì)算σcr與FS的比值(σcr/FS)來半定量地評估，且具有較小的σcr/FS值的變形模式最容易激活[23-24]。通過調(diào)整鎂合金的初始織構(gòu)，可以有效地調(diào)整各變形模式的σcr/FS值，從而改變各變形模式對塑性變形的貢獻(xiàn)。沿同一方向拉伸或壓縮，對于同一滑移系的FS值是相同的。TCYA的出現(xiàn)主要?dú)w因于{1 012}孿生存在極性，致使在拉伸和壓縮過程中{1 012}孿生發(fā)生的難易程度有較大的差異。因此，通過調(diào)整織構(gòu)來弱化這種差異可以降低鎂合金材料的TCYA[22]。

圖3 沿不同取向加載時(shí)，擠壓態(tài)AZ61合金的拉伸和壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線[22]Fig. 3 Tensile and compressive stress-strain curves of extruded AZ61 at the onset of yielding for different tilt angles between ED and LD[22]

首先，弱化織構(gòu)可降低拉伸和壓縮應(yīng)力下拉伸孿晶的σcr/FS的差異，從而降低{1 012}孿生對拉伸和壓縮屈服強(qiáng)度貢獻(xiàn)的差異。因此，弱化織構(gòu)可有效降低TCYA。例如，弱織構(gòu)的AZ80合金的拉壓不對稱性遠(yuǎn)小于擠壓態(tài)AZ80棒的[25-26]。其次，改變織構(gòu)取向，可以調(diào)控決定屈服的變形機(jī)制。圖 4[24]所示為不同變形模式的σcr/FS作為ψ角的函數(shù)曲線圖。其中ψ為LD與ED的夾角[24]。由圖4可知，應(yīng)力軸與晶粒取向的關(guān)系極大地影響各變形模式的σcr/FS值。在某一應(yīng)力狀態(tài)下，通常具有最小σcr/FS值的變形模式將會是決定屈服的主導(dǎo)變形機(jī)制。隨著加載方向的改變，基面滑移和柱面滑移σcr/FS值的變化趨勢是相同的，而{1 012}孿生的變化不同。當(dāng)LD與ED成0°時(shí)，壓縮的主導(dǎo)變形機(jī)制為拉伸孿晶，而拉伸時(shí)孿晶被抑制(孿生的極性)。此時(shí)，材料表現(xiàn)出較大的 TCYA。當(dāng) LD與 ED 成 45°時(shí)，拉伸和壓縮時(shí){1 012}孿生的σcr/FS值幾乎相等。此時(shí)，拉伸和壓縮時(shí)基面滑移的σcr/FS值都遠(yuǎn)低于{1 012}孿生和柱面滑移的，并成為其主導(dǎo)變形機(jī)制。因此，材料表現(xiàn)出較低的 TCYA。這同樣也說明了變形鎂合金的TCYA極大地依賴于{1 012}孿生的激活。

圖4 不同加載角度下各變形模式的σcr/FS值的變化曲線[24]Fig. 4 Variation of σcr/FS of deformation modes under different load angles[24]: (a) Tension; (b) Compression

織構(gòu)控制是決定TCYA的關(guān)鍵因素。鑄態(tài)合金雖然沒有 TCYA，然而性能較差且強(qiáng)度較低。而鎂合金在常規(guī)的軋制和擠壓變形過程中很容易產(chǎn)生織構(gòu)，從而導(dǎo)致強(qiáng)的 TCYA。若在具有織構(gòu)的材料中沿某一方向切取具有特定晶粒取向的型材，這樣零件尺寸會受到極大的限制且加工費(fèi)用較高。目前，通過異步軋制[27]、交叉軋制[28]、單向多道次彎曲[29]和等通道角擠壓[30]等工藝可以調(diào)控織構(gòu)，改善鎂合金的加工性能、強(qiáng)韌性及各向異性。

2.2 晶粒尺寸的影響

孿生和滑移除了受到 SF的影響以外，也會受到晶粒尺寸的影響。首先，晶粒細(xì)化使晶界移動和非基面滑移的啟動更加容易[31-32]；其次，孿晶一般在晶界處形核，而粗晶內(nèi)的位錯滑移程大，晶界附近應(yīng)力集中更嚴(yán)重。因此，孿晶易發(fā)生在粗晶內(nèi)。隨著晶粒尺寸的減小，塑性變形過程容易通過交滑移、非基面滑移和晶界滑動以及動態(tài)回復(fù)等過程來釋放應(yīng)力集中，從而也會降低孿生的貢獻(xiàn)[24,32]。近來，PEI等[33]做了更為細(xì)致的工作。他們發(fā)現(xiàn)：在較小晶粒中，孿生的發(fā)生將被延遲。此外，孿晶變體的發(fā)生也受到晶粒尺寸效應(yīng)的影響。圖5所示為AZ31軋板以150 ℃沿TD方向壓縮10%后的顯微組織及孿晶變體分布作為晶粒面積的函數(shù)分布圖[33]。小晶粒中的孿晶多為符合Schmid理論的孿晶類型，而隨著晶粒面積的增加，不符合 Schmid因子理論的孿晶類型也容易產(chǎn)生。綜上所述，細(xì)化晶粒會降低孿生產(chǎn)生的比率。這對改善鎂合金的TCYA是有利的。

考察細(xì)晶強(qiáng)化對滑移和孿生啟動的硬化作用可以更直觀地理解晶粒尺寸對鎂合金材料TCYA的影響。一般而言，材料的強(qiáng)度與晶粒尺寸符合經(jīng)典的Hall-Petch關(guān)系(σ=σ+kd-1/2)，即隨著晶粒尺寸的

y0

圖5 AZ31軋板在150 ℃下壓縮變形10%后的顯微組織圖和{0001}極圖以及具有壓縮方向?qū)?yīng) α＞0.6的所有晶粒的面積分布[33]Fig. 5 Microstructure and {0001} pole figure (compression axis at center) for samples after uniaxial compression at 150 ℃to strain of 10%(a) and distribution of grain area for all grains with compression axis directions corresponding to α＞0.6(b)(where α is ratio of the fourth ranked FS to the first ranked FS)[33]

減小，材料的強(qiáng)度會提高。反之，強(qiáng)度下降。研究表明[34-36]，對于鎂合金而言，不管是由滑移決定的屈服還是由孿生決定的屈服，均符合 Hall-Petch關(guān)系。BARNETT等[34]通過考察不同晶粒尺寸鎂合金的壓縮變形行為發(fā)現(xiàn)，晶粒尺寸對滑移和孿生決定的應(yīng)力都有極大的影響。圖6[34]所示為AZ31擠壓棒在150 ℃壓縮變形時(shí)在應(yīng)變0.002和0.2下的Hall-Petch關(guān)系圖，并揭示對于孿生決定應(yīng)力的K值要高于滑移決定應(yīng)力的K值。BOHLEN等[35]也得到類似的結(jié)果。這就意味著隨著晶粒尺寸的降低以孿生為主導(dǎo)變形機(jī)制決定的屈服強(qiáng)度增量要高于滑移決定的屈服強(qiáng)度增量。這也進(jìn)一步證實(shí)通過細(xì)化晶?？捎兄诮档?TCYA。在實(shí)際的研究中也證實(shí)：隨著晶粒尺寸的減小，變形過程中孿晶的產(chǎn)生率會明顯地降低，而 TCYA隨之改善[24,35,37]。陶俊[38]得出了cysσ/tysσ和晶粒尺寸d間的數(shù)學(xué)公式，即cysσ/tysσ=1.02-0.12lnd。他們推測AZ31鎂合金拉壓不對稱消失的臨界晶粒尺寸為d=(1.18±0.6) μm。隨后YIN等[37]通過實(shí)驗(yàn)得出：當(dāng)晶粒尺寸細(xì)化到0.8 μm時(shí)，AZ31鎂合金的TCYA幾乎消除，且與織構(gòu)存在與否無關(guān)。

圖6 AZ31擠壓棒在150 ℃下晶粒尺寸對壓縮變形時(shí)應(yīng)變?yōu)?.002 和0.2時(shí)的 Hall-Petch關(guān)系圖[34]Fig. 6 Hall-Petch plots of AZ31 bar extruded at strains of 0.002 and 0.2 and 150 ℃[34]

2.3 預(yù)置孿晶片層的影響

采用快速凝固[39]、粉末冶金[40]和合金化[41]等方式可以獲得細(xì)小的組織。此外，通過熱加工過程中的動態(tài)再結(jié)晶行為也可以達(dá)到細(xì)化晶粒的目的[37,42]。細(xì)晶強(qiáng)化就是通過這些特殊的工藝來增加晶界的量，進(jìn)而提高材料的強(qiáng)度。孿晶界是一種特殊的晶界。最近的研究發(fā)現(xiàn)通過預(yù)變形引入大量孿晶界面也可以提高鎂合金板材的強(qiáng)度[43-45]。圖7[44]所示為AZ31熱軋板通過沿TD方向冷軋3%且退火后(PRA 3%)材料的組織演變和RD方向的力學(xué)性能。沿TD預(yù)軋后，組織中出現(xiàn)了大量的{1 012}孿晶界面。此外，孿晶片層的出現(xiàn)致使沿RD方向拉伸和壓縮的屈服強(qiáng)度分別提高34和49 MPa，且σcys/σtys的比值也從0.43提高到0.61[44]。圖8所示為沿RD方向變形時(shí)變形方向與PRA試樣的織構(gòu)c軸的取向關(guān)系[45]。原始板材為典型的基面織構(gòu)，因此，織構(gòu)的c軸平行于ND方向。沿TD側(cè)軋后，由于{1 012}孿生的發(fā)生形成了c軸//ND和c軸//TD 兩種織構(gòu)組分(見圖 7(b)和圖 8)。然而，當(dāng)沿RD變形時(shí)，c軸//ND和c軸//TD兩種織構(gòu)的c軸都與變形方向垂直。因此，PRA并沒有改變應(yīng)力軸與織構(gòu)c軸的取向關(guān)系，也就是說 PRA處理沒有改變沿RD拉伸和壓縮的主導(dǎo)變形機(jī)制。因此，性能的改變主要由于孿晶界的切割導(dǎo)致的。事實(shí)上，孿晶界切割晶粒提高鎂合金板材強(qiáng)度的機(jī)理類似于細(xì)晶強(qiáng)化的作用[44]。圖9所示為PRA樣品沿RD壓縮3%后的EBSD圖[44]。圖中晶粒A為母晶，晶粒C為PRA過程中產(chǎn)生的孿晶片層，而晶粒B和D為沿RD方向壓縮過程中產(chǎn)生的孿晶片層?？梢?，預(yù)置孿晶界的存在極大地抑制了沿RD壓縮過程中{1 012}孿晶的長大，進(jìn)而降低了壓縮過程中孿生產(chǎn)生的比率[44]。從而，PRA處理也可以有效地改善鎂合金的 TCYA。值得注意的是，通過預(yù)變形引入的{1 012}孿晶會引起織構(gòu)的變化。由于織構(gòu)的影響，故PRA處理僅可以改善鎂合金材料特定方向的力學(xué)性能。

2.4 合金化的影響

合金化是改善金屬材料性能的有效手段。通過以上分析得知，晶格參數(shù)、織構(gòu)取向、各變形模式的σcr以及晶粒尺寸等都可以影響鎂合金材料的 TCYA。因此，若能通過合金化調(diào)整以上組織參數(shù)就可以調(diào)控材料的TCYA。

圖7 原始板EBSD圖和{0001}極圖和PRA 3%板材的EBSD圖和{0001}極圖以及沿RD方向的拉伸壓縮真應(yīng)力-應(yīng)變曲線(EBSD圖中的灰色區(qū)域?yàn)閧1 012}孿晶片層)[44]Fig. 7 EBSD maps and {0001} pole figures of as-received(a) and PRA 3%(b) and tensile, compressive true stress-strain curves along RD(c) (Gray zones in EBSD maps are {1 012} twin lamellae)[44]

圖8 沿RD方向拉伸壓縮時(shí)PRA試樣中晶粒的c軸與變形方向的取向關(guān)系示意圖[45]Fig. 8 Schematic diagram illustrating orientation of deformation direction with respect to c-axis in PRA samples[45]

圖9 PRA 3% 試樣沿RD壓縮3%后的EBSD圖及晶粒A~D的典型區(qū)域放大圖(A-B、A-C和C-D界面(見白色箭頭)均為{1 012}孿晶界)[44]Fig. 9 EBSD maps of PRA3% samples after 3% compression along RD and enlarged zone of grains A-D (Grain boundaries A-B,A-C and C-D indicated by white arrows are identified as {1 012} twin boundaries)[44]

2.4.1 合金元素影響晶格參數(shù)與變形模式

研究顯示合金元素的固溶可能會改變鎂合金的晶格參數(shù)(a和c/a)[14,46-47]。AGNEW等[14]發(fā)現(xiàn)鎂合金中隨著Li或Y元素固溶含量的增加，鎂合金的c/a值降低(見圖10)。c/a值對材料的變形機(jī)制及性能都有較大的影響。首先，孿晶模式的激活與c/a的值有直接的關(guān)系[10]。PEKGULERYUZ等[46]通過研究c/a值對軋制性能的影響發(fā)現(xiàn)軸比對鎂合金軋制過程中的邊裂有較大的影響。這一影響主要就是c/a影響孿生模式的結(jié)果。其次，c/a值和固溶元素會影響鎂合金中不同變形模式的平衡。AGNEW等[14]的研究顯示，隨著c/a值的降低，由于晶格結(jié)構(gòu)的對稱性更強(qiáng)，因此滑移更容易激活。BLAKE等[48]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Zn的固溶量小于0.6%(摩爾分?jǐn)?shù))時(shí)，柱面滑移被軟化。

圖 10 衍射試驗(yàn)獲得的鎂合金的極軸比與合金組分含量的函數(shù)關(guān)系[14]Fig. 10 Axial ratio (c/a) as function of alloy composition obtained from diffraction experiments[14]

通過TCYA的形成原因可以推測：降低晶格的不對稱性促進(jìn)非基面滑移的激活以及通過合金化軟化柱面滑移等都有利于TCYA的降低。因此，通過合金化改變鎂合金的晶格參數(shù)也是改善材料TCYA的方法之一。近年來，BOHLEN等[35]發(fā)現(xiàn)通過添加Al元素可降低鎂合金的TCYA。并通過討論推測Al的添加改變了基面和非基面滑移的激活，從而降低了孿生的貢獻(xiàn)。目前，關(guān)于晶格參數(shù)與鎂合金拉壓不對稱性的研究還未見系統(tǒng)報(bào)道。

2.4.2 合金元素影響變形織構(gòu)

鎂及其合金在加工過程中極易產(chǎn)生織構(gòu)。由 2.1節(jié)可知，通過弱化織構(gòu)和改變織構(gòu)組分是改善拉壓不對稱性的有效途徑。而合金化也可成為改善形變織構(gòu)的有效方法。首先，合金化通過影響變形機(jī)制而影響形變織構(gòu)。如AGNEW等[14]發(fā)現(xiàn)含Y和Li的鎂合金，由于c/a值的降低使滑移更容易開動，因此平面應(yīng)變壓縮下的織構(gòu)不是典型的基面織構(gòu)，而是形成雙峰織構(gòu)。LI等[49]通過對比AZ31、AZ61和AZ91合金的熱壓縮變形發(fā)現(xiàn)，3種合金在壓縮過程中表現(xiàn)出不同的織構(gòu)演變。這主要是由于高Al含量的AZ系合金中析出相的存在阻礙孿生而增強(qiáng)動態(tài)再結(jié)晶發(fā)生的結(jié)果。其次，合金化也可能影響鎂合金在熱變形過程中的再結(jié)晶形核和長大，從而影響再結(jié)晶織構(gòu)。例如：稀土元素的加入會弱化或者改變再結(jié)晶的織構(gòu)[50-55]。圖11所示為525 ℃下熱軋態(tài)Mg-Y-Nd合金的顯微組織及沿RD方向的拉伸和壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線。與傳統(tǒng)鎂合金的軋制織構(gòu)相比，熱軋后Mg-Y-Nd合金的織構(gòu)分布比較分散且極峰偏離ND方向20°~30°。圖11(b)顯示具有弱基面織構(gòu)的軋制態(tài) Mg-Y-Nd合金表現(xiàn)出較小的TCYA(CYS/TYS約為1±0.1)。前期的研究也顯示除了弱織構(gòu)的影響外，該合金中孿生對塑性變形的貢獻(xiàn)非常有限[56]。一些學(xué)者認(rèn)為稀土元素對再結(jié)晶織構(gòu)的影響主要是由于稀土元素改變了鎂合金的動態(tài)再結(jié)晶的形核方式，從而弱化了織構(gòu)[53]。有些稀土元素的加入不僅弱化了變形織構(gòu)，而且會產(chǎn)生異常于傳統(tǒng)變形鎂合金的織構(gòu)組分。近年來，ROBSON 等[54]考察了不同擠壓工藝下 Mg-6Y-7Gd-0.5%Zr(質(zhì)量分?jǐn)?shù))合金的顯微組織。結(jié)果顯示該合金在擠壓過程中形成了c軸//ED的異?？棙?gòu)。這種異常的織構(gòu)組分在一定程度上影響TCYA[54]。

2.4.3 合金元素的細(xì)晶作用

由2.2節(jié)可知，細(xì)化晶粒即可提高強(qiáng)韌性又能改善 TCYA。研究顯示，某些合金元素對于鎂合金晶粒尺寸的控制是非常重要的。如 Mg-Zn合金系中加入Zr元素[57]，Mg-Al合金中加入含碳化合物都可有效細(xì)化晶粒[58]。稀土元素(Ce、Nd、Sr等)的加入也可有效細(xì)化鑄錠的組織[59]。此外，固溶原子與晶界的交互作用以及析出相的釘扎作用也可有效控制熱變形和熱處理過程中的晶粒尺寸[60]。與擠壓態(tài)AZ31合金相比，擠壓態(tài) Mg-8Sn-1Al-1Zn合金具有較小的拉伸壓縮不對稱性。其機(jī)制便是由于 Mg-8Sn-1Al-1Zn合金中Mg2Sn相的出現(xiàn)有效地抑制擠壓過程中動態(tài)再結(jié)晶的長大，并導(dǎo)致了晶粒細(xì)化[61]。

目前，合金化及熱處理對鎂合金TCYA影響的研究還很少。然而，合金化和隨后的熱處理作為調(diào)控變形織構(gòu)與再結(jié)晶行為的有效方法將會對鎂合金 TCYA的控制和改善有重要的應(yīng)用價(jià)值。

圖11 軋制態(tài)Mg-Y-Nd合金的顯微組織和{0001}極圖以及沿RD方向變形的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 11 Microstructure and {0001} pole figure of rolled Mg-Y-Nd alloy(a) and true stress-true strain curves of rolled Mg-Y-Nd alloy deformed along RD(b)

2.5 第二相粒子的影響

隨著高強(qiáng)度鎂合金的需求和發(fā)展，析出強(qiáng)化合金成為鎂合金研究的一個(gè)重要的方向。針對鎂合金特有的塑性變形特征，析出強(qiáng)化合金的各向異性行為成為研究的熱點(diǎn)[4]。近年來的研究已經(jīng)顯示析出相對鎂合金的滑移和孿生都有影響，進(jìn)而影響變形鎂合金的各向異性[25,56,62]。事實(shí)上，早在 20世紀(jì) 60年代，CLARK和CHUN等 就發(fā)現(xiàn)Mg-Zn合金中的析出相可以抑制機(jī)械孿生。由于{1 012}孿生極大地影響鎂合金的各向異性和拉壓不對稱性，因此，析出相對{1 012}孿生行為的影響又再次成為近來研究的熱點(diǎn)[66-67]。近年來的研究發(fā)現(xiàn)，析出相可以有效地降低AZ91和AZ80鎂合金的TCYA[25-26,62,68-69]。一些研究認(rèn)為析出相對TCYA的影響主要通過控制孿生比率來實(shí)現(xiàn)的[25-26]。例如JAIN等[25]發(fā)現(xiàn)高密度的Mg17Al12[63-64][65]析出相的出現(xiàn)極大地降低了孿生產(chǎn)生的比率，從而消除了具有較弱織構(gòu) AZ80合金的 TCYA。最近，STANFORD等[69]的研究證實(shí)了時(shí)效處理也可以極大地改善擠壓態(tài)AZ91合金的拉壓不對稱性。他們的研究發(fā)現(xiàn)，大量片層狀的Mg17Al12相的出現(xiàn)并沒有改變壓縮過程中的孿生比率，而是極大地抑制了孿晶的長大。與滑移不同，孿生涉及到兩個(gè)過程，即孿生的形核和長大。雖然已發(fā)現(xiàn) Mg17Al12相可以極大地硬化{1 012}孿生并降低變形鎂合金的TCYA，然而析出硬化是增加了孿生形核的應(yīng)力還是阻礙了孿生的長大，目前尚存在一些爭議。

對于鎂合金而言，具有豐富的析出相形態(tài)。這些析出相往往具有一定的慣習(xí)面，如 AZ系合金中Mg17Al12相為基面析出相[68]，稀土鎂合金中析出相的慣習(xí)面為柱面[70]，Mg-Zn-Zr合金中析出相包括基面盤狀和c軸棒狀兩種相[71]等等。那么不同形態(tài)的析出相是否都可以改善鎂合金的 TCYA呢？近年來，ROBSON等[62]系統(tǒng)研究了析出相形狀對滑移和孿生的影響，并揭示了析出相形狀對變形鎂合金拉伸壓縮不對稱性的影響。他們通過采用Orowan模型的理論計(jì)算以及實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn) AZ91擠壓棒經(jīng)時(shí)效后，Mg17Al12基面板的析出降低了 TCYA；然而 Z5擠壓棒經(jīng)時(shí)效后，c軸棒狀析出相的出現(xiàn)增加了TCYA，如圖12所示[62]。由于拉伸和壓縮過程中決定屈服強(qiáng)度的主要變形機(jī)制分別為柱面滑移和孿生。因此，這一現(xiàn)象主要?dú)w因于不同形貌的析出相對孿生和柱面滑移σcr的硬化效果不同。ROBSON等[62]預(yù)測得出：當(dāng)析出相使Δσcr(twin growth)/Δσcr(prismatic)的值高于1/3，則會導(dǎo)致TCYA的降低，否則會增加TCYA。圖 13所示為不同析出相對Δσcr(twin growth)/Δσcr(prismatic)值影響的理論計(jì)算曲線圖。其中粒子參數(shù)如下：粒子體積分?jǐn)?shù)為 5%、板狀析出相長寬比為0.1和棒狀析出相長寬比為 10?；姘鍫钗龀鱿嗑哂凶畲蟮摩う襝r(twin growth)/Δσcr(prismatic)，說明基面板析出相對于TCYA的改善是最有效的。而c軸棒狀析出相導(dǎo)致Δσcr(twin growth)/Δσcr(prismatic)低于臨界值，從而可能會增大拉壓不對稱性。雖然這一理論推測還沒有在更多的鎂合金系列中得到應(yīng)用和證實(shí)。然而，可以確定的是，調(diào)控析出相形貌可成為改善析出強(qiáng)化鎂合金TCYA的有效方法。

圖12 AZ91和Z5合金的力學(xué)性能[62]Fig. 12 Mechanical properties of AZ91 and Z5 alloys[62]: (a)AZ91 under peak-aged and as-extruded condition; (b) Z5 under peak-aged and as-extruded condition

除了時(shí)效析出產(chǎn)生第二相粒子外，還可以通過粉末冶金的方法將具有高強(qiáng)度的粒子復(fù)合在鎂合金基體中來改善鎂合金的性能。如通過陶瓷或金屬粒子[72]、陶瓷纖維或碳纖維等[73-74]的添加可改善鎂合金的高溫蠕變性能，并且可增加材料的強(qiáng)度和彈性模量。此外，由于鎂合金具有各向異性特征，因此，復(fù)合粒子對鎂合金拉伸壓縮性能也有明顯的影響。GARCéS等[75]發(fā)現(xiàn)與純鎂相比，Mg-SiC復(fù)合材料的擠壓織構(gòu)強(qiáng)度更弱并表現(xiàn)出低的 TCYA。隨后 GARCéS等[74]也考察了粒子的尺寸和體積分?jǐn)?shù)對Mg-Y2O3組織性能的影響并得到了類似的結(jié)果。其微觀機(jī)理被解釋為粒子影響再結(jié)晶織構(gòu)、晶粒尺寸以及粒子與基體的錯配造成位錯演變的不同[74-75]。目前尚缺乏針對復(fù)合粒子的尺寸、形貌、體積分?jǐn)?shù)和分布等特征對孿生行為以及位錯滑移影響的研究。

3 結(jié)束語

鎂合金的TCYA主要源于加工過程中織構(gòu)的產(chǎn)生以及機(jī)械孿生的極性。改善TCYA的主要方法有織構(gòu)控制、細(xì)化晶粒、合金化、引入析出相(并調(diào)控其形態(tài))等。通過弱化織構(gòu)，可降低 TCYA，然而往往伴隨著材料強(qiáng)度的下降。晶粒細(xì)化、合金化和引入析出相都可以提高材料的強(qiáng)度且有效地調(diào)控材料的拉壓不對稱性。目前已有一些工作報(bào)道了鎂合金拉壓不對稱性的影響因素及其控制方法，然而仍有以下不足需要進(jìn)一步的研究：

1) 有待系統(tǒng)地研究合金化對于晶格參數(shù)、變形模式的影響，從而為通過合金化改善鎂合金的TCYA提供理論指導(dǎo)。

2) 需要系統(tǒng)地研究析出相與復(fù)合粒子對于鎂合金各變形模式的影響，為開發(fā)低TCYA和高強(qiáng)度的鎂合金提供理論基礎(chǔ)。

3) 需要定量地分析各因素對TCYA的影響。衡量和對比不同因素對鎂合金TCYA的影響，對于材料的設(shè)計(jì)有重要的指導(dǎo)意義。通過合理地結(jié)合多種方式來綜合地調(diào)控鎂合金的TCYA將成為未來材料設(shè)計(jì)的課題之一。

4) TCYA對于橫梁、交通工具等使用的鎂合金型材的性能有較大影響，然而尚未引起足夠的重視。目前，TCYA還不是用來評價(jià)鎂合金材料的性能指標(biāo)。

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