織構(gòu)對(duì)攪拌摩擦加工鎂合金力學(xué)性能的影響研究現(xiàn)狀

楊曉康1，王　文2，王快社2，高　雪2，趙　凱2，郭紅舉2

(1. 西部鈦業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710201)(2.西安建筑科技大學(xué)冶金工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

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織構(gòu)對(duì)攪拌摩擦加工鎂合金力學(xué)性能的影響研究現(xiàn)狀

楊曉康1，王文2，王快社2，高雪2，趙凱2，郭紅舉2

(1. 西部鈦業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710201)(2.西安建筑科技大學(xué)冶金工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

楊曉康

摘要：鎂及鎂合金的力學(xué)性能主要影響因素包括晶粒尺寸、織構(gòu)和第二相，其中，織構(gòu)對(duì)鎂及鎂合金的力學(xué)行為影響較為復(fù)雜。攪拌摩擦加工(Friction Stir Processing, FSP)后的鎂及鎂合金織構(gòu)變化復(fù)雜，因此對(duì)攪拌摩擦加工過程中鎂及鎂合金織構(gòu)演變規(guī)律的研究具有重要意義。在介紹鎂及鎂合金形變系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，綜述了鎂及鎂合金板材在攪拌摩擦加工過程中的織構(gòu)演化規(guī)律及形成機(jī)理，織構(gòu)的演化與材料所受應(yīng)力狀態(tài)和流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。分析了織構(gòu)對(duì)室溫拉伸性能的影響，出現(xiàn)各向異性現(xiàn)象，其實(shí)質(zhì)是織構(gòu)的軟化和硬化效應(yīng)；織構(gòu)對(duì)超塑性行為的影響，織構(gòu)對(duì)鎂及鎂合金塑性變形機(jī)理的影響。最后探討了FSP鎂及鎂合金未來需深入研究的方向。

關(guān)鍵詞：攪拌摩擦加工；鎂合金；織構(gòu)；力學(xué)性能

1前言

鎂及鎂合金作為最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有比強(qiáng)度和比剛度高、阻尼性和減震性好、電磁屏蔽和抗輻射能力強(qiáng)、機(jī)加工性能優(yōu)良等一系列優(yōu)點(diǎn)，在汽車和3C領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景，具有替代鋼和鋁的潛力[1-2]。但鎂及鎂合金室溫成型性和塑性較差，限制其廣泛應(yīng)用。Mishra等[3]在攪拌摩擦焊接技術(shù)的基礎(chǔ)上提出了攪拌摩擦加工(FrictionStirProcessing,FSP)技術(shù)，F(xiàn)SP的工作原理比較簡(jiǎn)單：一個(gè)由攪拌針和軸肩組成的加工工具高速旋轉(zhuǎn)使攪拌針插入工件，當(dāng)軸肩與工件表面接觸后，工具沿預(yù)定方向運(yùn)行，使材料產(chǎn)生劇烈塑性變形，加之工具與工件間的摩擦熱，使加工區(qū)域材料發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，形成等軸細(xì)晶結(jié)構(gòu)。細(xì)化晶粒是提高鎂及鎂合金強(qiáng)塑性的有效方法之一[4]。研究表明，鎂及鎂合金的屈服強(qiáng)度隨晶粒細(xì)化提高不明顯或者甚至降低[5-9]。這主要是因?yàn)榫哂锌棙?gòu)的多晶鎂及鎂合金，其力學(xué)性能受晶粒尺寸和晶粒取向分布的綜合影響。

本文介紹了鎂合金的形變系統(tǒng)和鎂合金在攪拌摩擦加工過程中的織構(gòu)演化規(guī)律，并綜述了織構(gòu)對(duì)攪拌摩擦加工鎂合金力學(xué)性能的影響。

2鎂及鎂合金的形變系統(tǒng)

鎂及鎂合金為密排六方晶體結(jié)構(gòu)，滑移系的數(shù)目較少，軸比為1.624，密排面為{0001}，密排方向?yàn)?11-20>。鎂及鎂合金的塑性變形主要是通過位錯(cuò)滑移與孿生來實(shí)現(xiàn)的。

位錯(cuò)滑移是鎂及鎂合金的重要變形機(jī)制，鎂及鎂合金的常見滑移系有a滑移和c+a滑移，如圖1所示。在常溫條件下變形，滑移系開動(dòng)的臨界剪切應(yīng)力(CRSS)在各自滑移系上的差異非常顯著，基面滑移系的CRSS值最低,約為0.6～0.7MPa，柱面及錐面滑移系的CRSS約為基面滑移系的70倍。隨著變形溫度的升高，非基面滑移系的CRSS逐漸減小，非基面滑移的趨勢(shì)增加，當(dāng)溫度達(dá)到600K以上時(shí)，基面和非基面滑移系的CRSS值接近。XIN等[10]證明，當(dāng)溫度達(dá)到625K時(shí)，基面滑移和非基面滑移可以同時(shí)啟動(dòng)。

圖1　鎂及鎂合金中常見的滑移系統(tǒng)[11]Fig.1　Common slip systems in magnesium alloys [11]

除了位錯(cuò)滑移，在鎂及鎂合金中，孿生是一種重要的晶內(nèi)塑性變形機(jī)制。只有當(dāng)變形溫度很低、應(yīng)變速率極高或在變形后期位錯(cuò)堆積使滑移受阻時(shí)，孿生才能成為其塑性變形的主要機(jī)制[12]。鎂及鎂合金中有{10-12}拉伸孿生、{10-11}壓縮孿生，以及{11-22}、{11-21}等晶面的孿生。其中，{10-12}拉伸孿生變形的臨界驅(qū)動(dòng)力最低。通常鎂及鎂合金中最容易發(fā)生變形的方式為基面a滑移及{10-12}孿生變形，這也是鎂及鎂合金中形成強(qiáng)織構(gòu)的主要原因。因?yàn)樽冃文Ｊ降膯我换鰪?qiáng)了晶粒取向與外加應(yīng)力場(chǎng)的依賴性。鎂及鎂合金變形過程中，如果其他非基面滑移增加，以及其他孿生方式增加，而不是較單一的基面位錯(cuò)滑移和{10-12}孿生，鎂及鎂合金的織構(gòu)則會(huì)隨之弱化[13]。

3鎂及鎂合金FSP織構(gòu)的演化規(guī)律

密排六方結(jié)構(gòu)鎂及鎂合金的對(duì)稱性較低，在加工過程中較易形成變形織構(gòu)，形成的織構(gòu)對(duì)其性能有很大影響，因此，研究織構(gòu)演化規(guī)律至關(guān)重要。

與攪拌摩擦焊接頭類似，整個(gè)攪拌摩擦加工區(qū)分為軸肩影響區(qū)(ShoulderFrictionZone，SFZ)、攪拌區(qū)(StirZone，SZ)、熱機(jī)械影響區(qū)(ThermalMechanicalAffectedZone，TMAZ)、熱影響區(qū)(HeatAffectedZone，HAZ)和母材(BaseMaterial，BM)(圖2)。鎂及鎂合金FSP區(qū)域織構(gòu)分布及演變較復(fù)雜，在不同區(qū)域形成不同的織構(gòu)[7, 14]。ParkSHC等[14]最早發(fā)現(xiàn)加工區(qū)域基面(0001)織構(gòu)沿?cái)嚢栳槼蕡A柱面分布，在后續(xù)的研究中，WooW[5,7]、李波等[15]發(fā)現(xiàn)了類似的織構(gòu)分布，其分布分別見圖3和圖4。SZ織構(gòu)演化與材料應(yīng)力狀態(tài)和流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)[23]。FSP鎂及鎂合金加工區(qū)域上部材料在軸肩旋轉(zhuǎn)作用下產(chǎn)生的壓應(yīng)力使剪切面與加工件表面平行[14, 18]，下部材料在攪拌針的剪切作用下流動(dòng)，使材料沿?cái)嚢栳槇A柱面發(fā)生剪切變形[17]。

圖2　攪拌摩擦加工AZ31鎂合金的橫截面宏觀照片[15]Fig.2　Cross-sectional macrophotograph of AZ31magnesium alloy after FSP[15]

圖3　鎂及鎂合金FSP加工區(qū)域織構(gòu)分布示意圖[5, 7]Fig.3　Schematic diagram of basal plane tracing from the base material, transition region, to stir zone on the advancing side of the FSP Mg plate[5, 7]

圖4　FSP AZ31鎂合金加工區(qū)域不同區(qū)域(0002)極圖[15]Fig.4　(0002) pole figures of different regions of AZ31 magnesium alloy after FSP[15]

YuanW等[16]主要研究了FSP鎂及鎂合金SZ不同厚度處的織構(gòu)演變規(guī)律(圖5)。在距加工上表面0～0.5mm處，織構(gòu)演變是由軸肩和攪拌針協(xié)同作用產(chǎn)生，軸肩的壓應(yīng)力和水平剪切應(yīng)力使晶粒的c軸與加工件表面垂直，攪拌針剪切作用使晶粒的c軸與加工件表面平行；隨深度的增加，軸肩剪切作用消失，攪拌針的剪切應(yīng)力起主導(dǎo)作用，通過剪切變形主導(dǎo)織構(gòu)變化；在1.5mm處，攪拌針的剪切作用使基面織構(gòu)c軸與FSP加工方向(ProcessingDirection,PD)平行。

圖5　FSP AZ31鎂合金SZ區(qū)不同位置的(0002)、(10-10)極圖[16]Fig.5　(0002) and (10-10) pole figures of FSPed AZ31 at various locations within the weld nugget[16]

4鎂及鎂合金織構(gòu)對(duì)力學(xué)性能的影響

4.1織構(gòu)對(duì)室溫拉伸性能的影響

對(duì)于不可熱處理強(qiáng)化鎂合金，晶粒尺寸和晶粒取向是影響鎂及鎂合金室溫力學(xué)性能的主要因素，當(dāng)織構(gòu)軟化或硬化對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)大于晶粒細(xì)化對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)時(shí)，F(xiàn)SP鎂及鎂合金的SZ屈服強(qiáng)度出現(xiàn)各向異性或晶粒尺寸和屈服強(qiáng)度關(guān)系不能滿足經(jīng)典的Hall-Petch方程[5-6, 8, 19-21]，出現(xiàn)低k值。

WangYN等[5]擬合了AZ31鎂及鎂合金熱擠壓和FSP試樣的Hall-Petch方程，沿PD方向發(fā)現(xiàn)低的摩擦應(yīng)力σ0和應(yīng)力集中因子k值。YuanW等[6]的研究工作中沿PD方向的拉伸結(jié)果與文獻(xiàn)[5]一致，具有較低的σ0和k值(圖6)，這是因?yàn)榻?jīng)過FSP后的基面織構(gòu)c軸沿加工件的法向ND向PD方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，Schmid因子為0.3，處于軟取向。

圖6　沿PD和TD方向晶粒尺寸和屈服強(qiáng)度的關(guān)系及晶粒尺寸對(duì)應(yīng)的極圖[6]Fig.6　The variations of 0.2% yield stress against grain size-1/2 for FSP AZ31 tested in PD and TD along with previous data, and insets are representative basal pole figures with pole intensities for three average grain sizes[6]

WooW等[7]研究了FSP鎂及鎂合金加工區(qū)域(0002)基面織構(gòu)分布情況及其對(duì)拉伸行為的影響。結(jié)果表明，在FSP過程中剪切變形條件下，基面織構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)且重排，織構(gòu)強(qiáng)度弱化，在PD方向Schmid因子較大，基面織構(gòu)易滑移，SZ的抗拉強(qiáng)度為200MPa,低于母材的抗拉強(qiáng)度250MPa。王賽香等[14]在FSP鎂及鎂合金加工區(qū)域發(fā)現(xiàn)同樣的現(xiàn)象。關(guān)于此現(xiàn)象，在等通道轉(zhuǎn)角擠壓(EqualChannelAngularPressing,ECAP)變形的AZ61、AZ31合金研究中也有類似的情況。在ECAPAZ61的研究中發(fā)現(xiàn)，隨著擠壓道次的增加，晶粒尺寸減小，伸長(zhǎng)率明顯增大，但合金的屈服強(qiáng)度卻降低，認(rèn)為其主要原因是鎂及鎂合金經(jīng)ECAP變形后晶界和織構(gòu)的影響大于細(xì)晶強(qiáng)化的貢獻(xiàn)[19-20]。同時(shí)也認(rèn)為對(duì)于鎂及鎂合金，特別是對(duì)于不可熱處理強(qiáng)化鎂合金而言，當(dāng)晶粒細(xì)化到一定程度后，合金的變形行為發(fā)生了明顯的改變，傳統(tǒng)的細(xì)晶強(qiáng)化對(duì)細(xì)晶鎂合金性能影響不顯著[21]。可見，鎂及鎂合金的力學(xué)性能并不單純遵守Hall-Petch關(guān)系，這是因?yàn)槎嗑фV及鎂合金材料的力學(xué)性能同時(shí)受到晶粒尺寸和晶體學(xué)織構(gòu)等因素的影響。

4.2織構(gòu)對(duì)超塑性行為的影響

織構(gòu)對(duì)超塑性的影響比對(duì)室溫的力學(xué)性能的影響弱，在該方面開展的針對(duì)性研究較少，多數(shù)研究者認(rèn)為鎂及鎂合金超塑性變形機(jī)理傾向于以晶界滑移 (GrainBoundarySliding，GBS)為主的多機(jī)制疊加理論[22]，目前織構(gòu)對(duì)超塑性的影響還存在爭(zhēng)論。

Panicker等[23]對(duì)AM60鎂及鎂合金做了研究，發(fā)現(xiàn)織構(gòu)對(duì)超塑性無影響，而Kaibyshev[24]和Lin等[25]的實(shí)驗(yàn)表明，MA15和AZ31鎂及鎂合金中織構(gòu)對(duì)流變應(yīng)力和超塑性的延伸率都有影響，但這也有可能是晶粒形狀、尺寸和分布以及晶界結(jié)構(gòu)所致。YangQ等[26]制備出晶粒尺寸相同且呈等軸、均勻分布的試樣，研究了織構(gòu)對(duì)FSPZK60鎂及鎂合金超塑性行為的影響。結(jié)果表明，當(dāng)超塑性變形溫度高于225 ℃時(shí)，織構(gòu)強(qiáng)度明顯弱化。因此，織構(gòu)對(duì)FSPZK60鎂及鎂合金超塑性變形過程中流變應(yīng)力的影響較小。

4.3織構(gòu)對(duì)鎂及鎂合金塑性變形機(jī)理的影響

鎂及鎂合金FSP加工后SZ半橢圓形的織構(gòu)分布表明SZ晶粒的c軸從邊部到中心再到邊部與拉伸方向呈～10°到90°然后再到～10°的分布形態(tài)。鎂及鎂合金拉伸過程中的塑性變形機(jī)理可用圖7總結(jié)，給出了鎂及鎂合金室溫拉伸時(shí)晶粒各種取向與滑移和孿生的理論臨界剪切應(yīng)力/施密特因子(CRSS/m)的關(guān)系[9]。當(dāng)晶粒c軸與拉伸方向角度為0°～36°時(shí)，孿生的比值最小，容易啟動(dòng)；當(dāng)晶粒c軸與拉伸方向角度為36°～75°時(shí)，基面滑移的比值最小，容易啟動(dòng)；當(dāng)晶粒c軸與拉伸方向角度為75°～90°時(shí)，棱柱面滑移的比值最小，容易啟動(dòng)。同時(shí)，隨著角度的增大，理論CRSS/m也越來越大。

圖7　理論CRSS/m與拉伸應(yīng)力方向和晶粒c軸夾角的關(guān)系[9]Fig.7　Prediction of the values for CRSS/m as a function of the inclination of the c-axis to the direction for tension[9]

5結(jié)語

FSP技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用才剛剛開始，具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，對(duì)于鎂及鎂合金FSP研究還不夠深入，可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行深入研究：①鎂及鎂合金的力學(xué)性能影響因素主要包括晶粒尺寸、織構(gòu)和第二相，通過實(shí)驗(yàn)手段分離這些主要因素，定量闡明單因素對(duì)力學(xué)性能的影響；②由于變形鎂及鎂合金的各向異性限制其廣泛應(yīng)用，開展稀土鎂合金FSP研究，實(shí)現(xiàn)明顯弱化或隨機(jī)化織構(gòu)，以期改善鎂及鎂合金各向異性，提高合金強(qiáng)韌性；③深入研究織構(gòu)對(duì)鎂合金超塑性行為的影響，織構(gòu)弱化的因素及織構(gòu)的弱化速度，研究織構(gòu)和GBS的關(guān)系、織構(gòu)和GBS協(xié)同作用對(duì)超塑性的影響等。

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(編輯惠瓊)

第一作者：楊曉康，男，1982年生，博士研究生，Email:yangxiaokang2000@163.com

ResearchStatusonEffectofTextureontheMechanicalPropertiesofFrictionStirProcessedMagnesiumAlloy

YANGXiaokang1, WANG Wen2, WANG Kuaishe2, GAO Xue2,

ZHAOKai2, GUO Hongju2

(1.WesternTitaniumTechnologiesCo.,Ltd.,Xi’an710201,China)

(2.CollegeofMetallurgyEngineering,Xi’anUniversityofArchitectureandTechnology,Xi’an710055,China)

Abstract：Main factors affecting the mechanical properties of magnesium and magnesium alloys include grain size, texture and the second phase, among which the effect of the texture is more complicated. The evolution of texture of magnesium alloy is complex during friction stir processing (FSP), so related study on the deformation system and texture evolution of magnesium alloy is of great significance in friction stir processing. Based on the introduction of deformation system of magnesium alloy, texture evolution regulation and mechanism of friction stir processed magnesium alloy are summarized, the evolution of texture is related to the stress state and flow state of the material. Then the effect of texture on the tensile properties of the room temperature, the superplastic behavior and the plastic deformation mechanism of magnesium and magnesium alloy are analyzed in detail. Finally, the further research directions for FSP magnesium and magnesium alloy are discussed.

Key words：friction stir processing; magnesium alloy; texture; mechanical properties

中圖分類號(hào)：TG146.2+2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-3962(2015)06-0482-05

DOI:10.7502/j.issn.1674-3962.2015.06.10

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué) (51404180，51274161)；西安建筑科技大學(xué)青年科技基金(QN1303)

收稿日期：2015-04-25