01

研究背景

镁合金因其轻质、比强度高等优势备受关注。然而，传统的镁合金往往面临着强度不足和塑性不佳的挑战，限制了其在汽车、航空航天等领域的广泛应用。近年来，通过合金化设计以及微观结构的优化，镁合金的力学性能得到了显著提升。合金化是一种有效提高镁合金性能的方法，对镁合金的性能有着复杂的影响，如何在保持轻质特性的同时，实现强度和塑性的最佳平衡，仍是当前镁合金研究的重要课题。

最近，美国俄亥俄州立大学Alan Luo院士团队和重庆科技大学彭鹏副教授等人利用Ca元素微合金化来调控Mg-Mn-Al挤压合金动态再结晶行为和力学性能。研究发现，钙微合金化对合金的微观结构产生了显著影响。在Mg-1Mn-0.5Al-0.1Ca合金中，钙的添加形成了Al2Ca和Mg2Ca相，在挤压过程中，Al2Ca粒子发生了破碎，并沿着挤压方向分布在晶界上。Mg2Ca相在挤压过程中动态析出，阻碍位错运动，减少了小角度晶界中的位错累积，并抑制了高密度小角度晶界向大角度晶界的转变，形成了双峰组织，即由细小的动态再结晶晶粒和粗大的未再结晶区域组成。双峰组织为合金带来了显著的力学性能优势。这一发现为含Mn镁合金的设计和制备提供了重要的理论参考。

02

图文导读

文章首先通过Thermo-Cal软件进行热力学计算，分析Mg-1Mn-0.5Al-xCa（x=0,0.1,0.5 wt.%）合金相图，发现随Ca含量增加，合金中除了形成Al8Mn5相外，还会形成Al2Ca第二相。当Ca含量>0.04 wt%时，则会形成Mg2Ca相。因此，以Mg-1Mn-0.5Al为基础，设计了Ca含量分别为0.1%和0.5%的样品，并将Mg-1Mn-0.5Al、Mg-1Mn-0.5Al-0.1Ca、Mg-1Mn-0.5Al-0.5Ca合金分别记为MA105、MAX10501、MAX10505。

利用EBSD技术分析了挤压后Mg-1Mn-0.5Al-xCa合金的晶粒结构，如图1，在MA105合金中，呈现出细小且均匀的动态再结晶晶粒结构。随着0.1%Ca的添加，未再结晶变得明显，未再结晶晶粒沿着ED方向被拉长。在MAX10501合金中，未再结晶区域的面积分数约为5.3%。随Ca增加到0.5 wt.%，未再结晶区域的面积分数增加到24.5%，形成了典型的双峰晶粒结构。Mg-1Mn-0.5Al合金的平均晶粒尺寸为1.57μm。其中，细小动态再结晶晶粒的平均晶粒尺寸减小到约1.34μm，而未再结晶晶粒的平均晶粒尺寸高达22.65μm。在MAX10505合金中，动态再结晶晶粒尺寸细化到1.03μm，未再结晶区域的面积分数显著增加。在MAX10505合金中，大面积未再结晶晶粒的（0002）面与挤压方向平行，提升了极密度，最大极密度增加18.75。此外，在未再结晶区域中存在大量小角度晶界。

图1挤压Mg-1Mn-0.5Al-xCa合金的IPF图和晶粒尺寸分布图：(a)和(d)Mg-1Mn-0.5Al;(b)和(e)Mg-1Mn-0.5Al-0.1Ca;(c)和(f)Mg-1Mn-0.5Al-0.5Ca

图2的透射电子显微镜（TEM）图像中可以看到等轴的动态再结晶晶粒，其中较多晶粒的直径小于1μm。从HAADF-STEM图像中发现一些颗粒相沿着晶界分布，而较小的颗粒则分散在晶粒内部。根据EDX面扫分析，晶界上的颗粒富含Al和Ca元素，表明是Al2Ca相。晶粒内部较小的颗粒富含Ca，表明是挤压过程中动态析出的Mg2Ca相。挤压过程改变了Al2Ca和Mg2Ca两相的分布。在挤压过程中，晶粒内部形成的Al2Ca相被细化并沿晶界分布。而Mg2Ca析出形成了晶粒内部的细小颗粒相。未再结晶区域中Mg2Ca析出物的弥散分布可以阻碍位错运动，减少小角度晶界中位错的积累，并阻碍小角度晶界向大角度晶界的转变。此外，胞状微观结构中的储存能变得更加均匀，这减少了再结晶成核的优先位置。未再结晶区域中Mg2Ca颗粒的细小粒径和密集分布提供了更持久的钉扎效应。因此，连续动态再结晶过程延迟，形成具有高密度小角度晶界的未再结晶区域。

图2挤压MAX10505合金的TEM图像

图3为挤压态Mg-1Mn-0.5Al-xCa合金的拉伸/压缩应力-应变曲线。当Ca含量从0%增加到0.5%时，屈服强度从224 MPa增加到352 MPa，断裂伸长率降低。压缩应力-应变曲线与拉伸曲线类似，Mg-1Mn-0.5Al合金在压缩下也显示出较低的屈服强度202 MPa，具有较高的拉伸-压缩屈服不对称性（σCYS/σTYS）为0.90。随Ca含量增加到0.5%时，屈服强度提高至262 MPa，但是拉伸-压缩屈服不对称性为0.74。此外，所有压缩应力-应变曲线都出现了一个屈服平台，这被称为屈服伸长或Lüders应变。通过汇总强化机制对于屈服强度的贡献，三种合金的预测屈服强度值分别为239 MPa、319 MPa和359 MPa。测量值与估计值之间仅有轻微偏差，说明模型的准确度较高。结果表明，在Mg-1Mn-0.5Al-xCa合金中进行Ca微合金化时，提高的屈服应力主要是小角度晶界强化、析出强化和显著的HDI强化的组合。

图3挤压态Mg-1Mn-0.5Al-xCa合金的缩应力-应变曲线：（a）拉伸应力-应变曲线，（a）压缩应力-应变曲线

进一步分析了Ca元素的添加对拉压屈服不对称性的影响。添加0.1%的Ca对Mg-1Mn-0.5Al-xCa合金的压缩屈服强度（CYS）的改善几乎可以忽略不计，但将Ca进一步增加到0.5%会导致MAX10505合金的压缩屈服强度显著提高（60 MPa）。此外，在MA10505合金中，屈服点延长现象变得更为明显。将挤压态的MAX10505合金沿ED方向压缩8%，压缩后的IPF图如图4所示。对于压缩后的MA105合金，(10-12)拉伸孪晶清晰可见，而(10-11)压缩孪晶很少。因为(10-12)拉伸孪晶的临界剪切应力（CRSS）值远小于(10-11)压缩孪晶。对于MAX105，形成的(10-12)拉伸孪晶也出现在动态再结晶的细晶粒之间，而一些(10-12)拉伸孪晶则存在于未再结晶的区域。在MAX10505合金中，未再结晶区域形成了高密度的(10-12)拉伸孪晶，孪晶从一个晶粒传播到另一个晶粒。(10-12)拉伸孪晶的形成导致压缩过程中的屈服点延长现象，是由于孪晶在整个样品中的传播。孪晶释放的应力和在晶界处停止的传播导致在MAX10505合金中形成明显的屈服“平台”。Mg-1Mn-0.5Al-0.1Ca合金的CYS改善几乎可以忽略不计，表明0.1%的Ca添加对CYS的贡献非常有限。MAX10501合金中沿晶界分布的Al2Ca相对CYS的贡献较小。除了Al2Ca相之外，Mg-1Mn-0.5Al-0.5Ca合金中较高的Ca含量导致在动态再结晶和未动态再结晶晶粒内部形成了Mg2Ca析出物。高密度Mg2Ca析出物产生了强烈的析出强化效应。此外，在未再结晶区域中形成的高密度Mg2Ca析出物，阻碍了孪晶的增厚和传播。与MAX10501相比，添加0.5%的Ca形成了Mg2Ca析出物，增加了拉伸孪晶的CRSS值并提高了CYS。

图4挤压态Mg-1Mn-0.5Al-xca合金沿ED受压8%后的IPF图，（a,d）MAX105，（b,e）MAX10501，（c,f）MAX10505

03

结论与展望

综上所述，本研究探讨了挤压Mg-1Mn-0.5Al-xCa（x=0,0.1,0.5 wt.%）合金的微观组织演变和强化机制。结果表明，随着Ca含量的增加，合金的晶粒结构由细小等轴再结晶晶粒结构转变为含有未再结晶晶粒的双峰组织，其中未再结晶区域的比例从3.2%增加到24.5%。晶粒结构的转变与Al8Mn5、Al2Ca和Mg2Ca相的分布密切相关，并显著影响合金的力学性能。其中，MA10501的屈服强度从MA105的224 MPa提升至335 MPa，而MA10505进一步增加到352 MPa，但韧性相应地从35.9%降低至11.2%和8.5%。这种性能变化归因于双峰晶粒结构的形成、晶粒细化、低角度晶界、Orowan强化以及HDI强化。此外，未再结晶区域导致的孪晶激活和屈服不对称性，Mg2Ca析出和动态再结晶区域晶粒细化对压缩屈服应力的强化，共同构成了合金综合力学性能提升的关键因素。

04

文章信息

该文章发表在《Journal of Magnesium and Alloys》2023年第11卷第12期：

[1]Jianyue Zhang,Peng Peng*,Qingshan Yang,Alan A.Luo*.Bimodal grain structure formation and strengthening mechanisms in Mg-Mn-Al-Ca extrusion alloys[J].Journal of Magnesium and Alloys,2023,11(8):4407-4419.

05

下载链接

扫描二维码下载文章！

06

中文摘要

本文研究了微量Ca（0，0.1%，0.5%wt.%）对挤压态Mg-1Mn-0.5Al合金动态再结晶行为和力学性能的影响。Ca微合金化在铸态Mg-1Mn-0.5Al-0.1Ca合金中形成Al2Ca相，在Mg-1Mn-0.5Al-0.5Ca合金中形成Mg2Ca和Al2Ca相。形成的Al2Ca颗粒在挤压过程中发生断裂，并沿挤压方向分布在晶界处。Mg2Ca相在挤压过程中动态析出，阻碍位错运动，减少小角度晶界中的位错积累，并阻碍高密度小角度晶界向大角度晶界的转变。因此，在Ca微合金化的Mg-1Mn-0.5Al合金中形成了由细小动态再结晶晶粒和粗大未再结晶区域组成的双峰晶粒结构。这种双峰晶粒结构导致了有效的异质变形诱导（HDI）强化。此外，动态再结晶区域的细晶粒、未动态再结晶区域的粗晶粒和动态析出的Mg2Ca相显著提高了拉伸屈服强度，从Mg-1Mn-0.5Al的224 MPa提高到Mg-1Mn-0.5Al-0.1Ca的335 MPa和Mg-1Mn-0.5Al-0.5Ca的352 MPa。最后，在挤压态Mg-1Mn-0.5Al-xCa合金中观察到屈服点现象，添加0.5%的Ca后该现象更为明显，这是由于在未再结晶区域形成了（10-12）拉伸孪晶。

07

英文摘要

The effects of small additions of calcium(0.1%and 0.5%1)on the dynamic recrystallization behavior and mechanical properties of as-extruded Mg-1Mn-0.5Al alloys were investigated.Calcium microalloying led to the formation of Al2Ca in as-cast Mg-1Mn-0.5Al-0.1Ca alloy and both Mg2Ca and Al2Ca phases in Mg-1Mn-0.5Al-0.5Ca alloy.The formed Al2Ca particles were fractured during extrusion process and distributed at grain boundary along extrusion direction(ED).The Mg2Ca phase was dynamically precipitated during extrusion process,hindering dislocation movement and reducing dislocation accumulation in low angle grain boundaries(LAGBs)and hindering the transformation of high density of LAGBs into high angle grain boundaries(HAGBs).Therefore,a bimodal structure composed of fine dynamically recrystallized(DRXed)grains and coarse unDRXed regions was formed in Ca-microalloyed Mg-1Mn-0.5Al alloys.The bimodal structure resulted in effective hetero-deformation-induced(HDI)strengthening.Additionally,the fine grains in DRXed regions and the coarse grains in unDRXed regions and the dynamically precipitated Mg2Ca phase significantly enhanced the tensile yield strength from 224 MPa i n Mg-1Mn-0.5Al to 335 MPa and 352 MPa in Mg-1Mn-0.5Al-0.1Ca and Mg-1Mn-0.5Al-0.5Ca,respectively.Finally,a yield point phenomenon was observed in as-extruded Mg-1Mn-0.5Al-xCa alloys,more profound with 0.5%Ca addition,which was due to the formation of(10-12)extension twins in unDRXed regions.

08

作者简介

第一作者/通讯作者简介：

章建跃（第一作者），美国普渡大学博士，俄亥俄州立大学博士后研究员，Journal of Magnesium and Alloys期刊青年编委,从事先进轻合金和先进制造工艺的开发，包括镁合金塑性成型，铝合金一体铸造，轻合金回收技术及其应用。在Scripta Materialia,Journal of Magnesium and Alloys,Materials Science and Engineering:A等期刊发表论文60余篇。

彭鹏（通讯作者），博士，重庆科技大学研究生导师，入选中国科协第七届青年人才托举工程，九三学社社员，Journal of Magnesium and Alloys、Rare Metals、精密成型工程期刊青年编委。承担科研项目13项，其中主持国家、省部级项目5项，主研国家自然基金（面上）、重庆市院士基金、重庆市自然基金省部级以上项目8项。在Journal of Magnesium and Alloys、Journal of Materials Science&Technology、Materials Science and Engineering:A等期刊发表SCI收录学术论文50余篇，授权国家发明专利10余项，博士论文入选重庆市优秀博士学位论文。

Alan Luo教授（通讯作者），美国工程院院士，现任美国俄亥俄州立大学材料科学与工程系和工业工程系的教授，工学院Donald D.Glower讲座教授，领导轻质材料与制造研究实验室，并担任俄亥俄州立大学先进铸造研究中心的主任。除了美国工程院院士之外，他也是矿物、金属与材料学会（TMS）、汽车工程师学会（SAE）和美国金属学会（ASM）的会士。在加入俄亥俄州立大学之前，罗博士在通用汽车全球研发中心（密歇根州沃伦）工作，拥有超过20年的工业经验。Alan Luo教授拥有超过20项的美国专利，发表了超过350篇关于先进材料、制造和应用的论文和其他出版物。