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哈工大发表顶刊:高加工硬化、高塑性晶粒不均匀镁合金的变形机理

发布日期: 2022年08月08日 13:35 来源: 材料学网


所属铁合金系别: 金属镁 金属镁
内容概述: 摘要:室温成形性差是限制镁合金应用的关键问题。成形性的加工硬化能力和高的拉伸伸长率密切相关。本文...

摘要:室温成形性差是限制镁合金应用的关键问题。成形性的加工硬化能力和高的拉伸伸长率密切相关。本文研制了一种晶粒不均匀的Mg-3Al-1Zn-0.4Mn(wt%)合金,其极限抗拉强度(UTS)和屈服强度(YS)之间的差异(UTS−YS:164 MPa)和良好的拉伸伸长率(22%)。大、小晶粒的不均匀变形主要受晶粒间尺寸差异的影响,而不是织构的影响。高应变硬化是由于不均匀的微应变导致大小晶粒之间晶界处几何必要位错的堆积。随着拉伸应变的增加,非基位错的比例大大增加,提高了材料的延性。

镁(Mg)合金是最轻的金属结构材料(纯镁密度:~1.74 g/cm 3),在航空航天、军工硬件、汽车、3C(计算机、通信、消费电子)等领域具有高比强度和良好的阻尼能力,然而,镁合金也具有固有的缺点,例如在室温(RT)下的成形性差,导致许多结构部件的成形不足。

在过去的几年中,人们进行了许多努力和尝试来克服镁合金的这一瓶颈。通过合金化和工艺控制的基础织构弱化/随机化,由基极图表示,是研究和提高镁合金可成形性的常用方法。据报道,稀土(RE)和Ca等元素可以随机化/削弱Mg合金的基底织构。金等人设计了一种新型Mg-3Al-1Zn-1Mn-0.5Ca(wt%)合金,该合金具有由Ca/Zn晶界(GB)共偏析引起的沿轧制方向分裂的基极组成的弱织构,在室温下获得高成形性.整体而言,对成形性(塑性变形)的机理解释有些不足,例如很少观察到原位显微组织演化,因此其详细的内部机理仍需进一步研究。

高成型性与高拉伸伸长率和大加工硬化能力密切相关。金等人详细研究了镁合金在室温下的成形性和均匀伸长率/加工硬化能力之间的关系,并报告说,在高均匀伸长率的情况下,高成形性与大加工硬化能力更密切相关,而不是屈服强度(YS)或单独的均匀伸长率,无论合金成分如何。一个典型的例子是朱等人利用高延伸率(27%)和大的加工硬化能力预测Mg-6Al-1Ca(wt%)合金的高成形性,大多数镁合金,包括AZ31合金,高延伸率和大UTS-YS值的这种组合是困难的。

在这项工作中,哈尔滨工程大学材料科学与化学工程学院张景怀教授课题组提出了一种通过引入异质晶粒组织来提高镁合金成形潜力的新策略。报道了一种具有高延伸率(22%)和加工硬化能力(UTS-YS:164 MPa)的Mg-3Al-1Zn-0.4Mn(wt%)合金(标记为H-AZ31合金)。通过显微组织演化分析,我们证实在一定尺寸范围内引入异质晶粒是该AZ31合金具有高成型潜力的主要原因。相关研究成果以题“Unveiling the deformation mechanism of highly deformable magnesium alloy with heterogeneous grains”发表在国际著名期刊Scripta Materialia上。

链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359646222004584#fig0004

图1所示。(a)H-AZ31合金拉伸工程应力-应变曲线;(b)H-AZ31合金及其他变形镁合金的UTS−YS和伸长率分布图(注意所有数据均转化为工程应力和应变);(c)H-AZ31合金全晶、小晶(≤10μm)、大晶(≥20μm)的IPF图和(d)(0002)极图。

图2所示。(a)TCA,(b)TCB,和(c)TCC组的纹理组成图;(A-1)晶粒A、(A-2)晶粒B、(B-1)晶粒C、(B-2)晶粒D、(C-1)晶粒E、(C-2)晶粒F四种应变(0%、3%、10%、17%)沿拉伸方向测得的点对点错取向(黄色箭头);“大”粒A和“小”粒B对应(A)中的蓝圆位置,“大”粒C和“小”粒D对应(B)中的蓝圆位置,“大”粒E和“小”粒F对应(C)中的蓝圆位置。

图3。(a)统计不同应变下H-AZ31合金的识别滑移活性。(b)相对于图1(c)中颗粒测量的粒度,从3%到10%菌株的平均θrot分布。(c)LUR应力-应变曲线和背应力。(d)图1(c)中典型位置不同菌株的KAM图,以及对应的gds密度分析。

图4。H-AZ31合金的GB滑动分析:(a)不同应变下的AFM图像和高度线剖面,(b)通过应变率跳跃试验得到的真应力-真应变曲线。

图5所示。BF和WBDF显微图(使用g=[0002]和g=[2-1-10]或[01-10])显示了在ED拉伸条件下,H-AZ31合金中(a-c)典型“小”晶粒([01-10]区轴)和(d-f)典型“大”晶粒([2-1-10]区轴)的<c>(绿色箭头),<a>(黄色箭头)和<c+a>(棕色箭头)位错。白圈和短线表示在gb处有一些堆积的非基面位错。

结果表明,制备出的H-AZ31镁合金具有较高的加工硬化能力(UTS-YS:164 MPa)和较高的伸长率(~22%),具有比其他AZ31合金更高的成形性能。塑性变形过程中微应变不均匀的原因是晶粒尺寸的差异,而不是织构。大、小晶粒间的位错堆积是高加工硬化的原因。非均质晶粒引起的变形过程中非基位错的显著增加有助于塑性的提高。不幸的是,H-AZ31合金的YS值较低。在高强度镁合金中引入类似的异质结构,有望开发出更理想的、具有良好成形性能的高性能镁合金。

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