Al，Zn對擠壓Mg-1Mn合金晶粒組織和塑性變形機制的影響

宋鍇，彭鵬，宋澤，湯愛濤，佘加，周世博，潘復(fù)生

Al，Zn對擠壓Mg-1Mn合金晶粒組織和塑性變形機制的影響

宋鍇1，彭鵬2，宋澤3，湯愛濤3，佘加3，周世博3，潘復(fù)生3

（1. 中國核動力研究設(shè)計院，成都 610213；2. 重慶科技學(xué)院 冶金與材料工程學(xué)院，重慶 401331；3. 重慶大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400044）

探索鎂合金中常用合金化元素Al，Zn對擠壓Mg-1Mn合金的晶粒組織和力學(xué)性能的影響，為含Mn合金的成分設(shè)計及商業(yè)化應(yīng)用提供理論支撐。在280 ℃下，對Mg-1Mn，Mg-1Mn-1Al和Mg-1Mn-2Zn合金進行熱擠壓，制備鎂合金棒材，采用拉伸測試分析力學(xué)性能，利用電子背散射衍射技術(shù)觀察晶粒組織，并通過粘塑性自洽模型研究塑性變形機制。在3種合金中，Mg-1Mn-1Al的晶粒最為細小，平均晶粒尺寸為1.3 μm，屈服強度、抗拉強度和斷裂伸長率分別為309 MPa，313 MPa和19.5%。在Mg-1Mn合金中，與Zn相比，較低含量的Al具有更好的再結(jié)晶晶粒細化效果。Al，Zn的添加能夠有效抑制基面<>滑移，促進非基面滑移的開啟。

鎂合金；擠壓；晶粒組織；力學(xué)性能

在國家“碳減排，碳達峰”的雙碳政策導(dǎo)向下，鎂合金作為較輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，在節(jié)能減排、綠色制造等領(lǐng)域具有極好的應(yīng)用前景，被譽為“21世紀綠色工程材料”[1—3]。由于鎂合金為密排六方晶體結(jié)構(gòu)，室溫下基面滑移系的臨界剪切應(yīng)力遠低于非基面滑移系的臨界剪切應(yīng)力，可動滑移系較少，因此，塑性變形能力較差，實際應(yīng)用仍受限制。添加合金化元素是一種有效改善金屬材料組織和性能的方式[4—6]。目前，鎂合金體系主要有Mg-Al系、Mg-Zn系、Mg-Mn系、Mg-Sn系以及Mg-Ca系等。

近年來，Mg-Mn系合金在變形鎂合金領(lǐng)域受到了較多關(guān)注，主要有以下原因：Mn的添加能夠凈化熔體，降低雜質(zhì)含量，提高基體純凈度[7]；Mn在Mg中具有一定的固溶度，潘復(fù)生院士提出了“固溶強化增塑”理論[8]；Mn能夠同時提高基面滑移和非基面滑移的臨界剪切應(yīng)力，具有激活非基面滑移的潛力；添加Mn后，形成的第二相-Mn顆粒在熱變形過程中能夠促進形核，同時動態(tài)析出的-Mn顆粒能夠釘扎晶界，進而有效促進晶粒細化[9]。目前，研發(fā)的Mg-Mn二元合金強度較低，與實際應(yīng)用還有一定距離，因此，開發(fā)多元體系的含Mn鎂合金，進一步提高其力學(xué)性能，以促進含Mn鎂合金的發(fā)展。

在含Mn鎂合金的開發(fā)研究中，主要有2個方向：不含稀土的低成本鎂合金開發(fā)，以添加Al，Zn，Ca，Sn等合金化元素為主；高稀土高強鎂合金的開發(fā)，以添加高含量的Gd，Y為主，再輔以Zn形成長周期強化相。在不含稀土的低成本鎂合金研究中，以東北大學(xué)潘虎成等[5]研發(fā)的Mg-Ca-Mn擠壓合金為代表，其屈服強度達到了425 MPa，斷裂伸長率達到了11%。此外，還研發(fā)了Mg-Al-Mn[10]，Mg-Zn-Mn[11]，Mg-Sn-Mn[12]，Mg-Sr-Mn[13]等含Mn鎂合金。在高稀土高強鎂合金的研究中，具有代表性的是重慶大學(xué)王敬豐等[14]研發(fā)的Mg-Gd-Y-Zn-Mn超高強鎂合金，該合金的強度高達538 MPa，斷裂伸長率達到了13.1%。上述研究均表明，含Mn系變形鎂合金具有良好的綜合力學(xué)性能。

基于低成本鎂合金有利于實現(xiàn)量大面廣的實際應(yīng)用，文中聚焦于非稀土低成本鎂合金的研發(fā)，尤其是鎂合金中常用的合金化元素Al和Zn。通過添加Al和Zn改善含Mn鎂合金的組織和性能，已有一定的研究基礎(chǔ)，如喻正文[15]、馬仕達[16]研究了Al對Mg-1Mn合金組織和性能的影響，其中Mg-1Al-1Mn合金表現(xiàn)出良好的力學(xué)性能，比Al含量更高的合金性能更佳，其屈服強度達到了250 MPa，斷裂伸長率達到了21.4%；She等[17]研究了Zn對Mg-1Mn合金組織和性能的影響，其中Mg-2Zn-2Mn合金表現(xiàn)出良好的強度和塑性，抗拉強度達到了315 MPa，斷裂伸長率達到了24%。綜上所述，Al和Zn的添加均取得了較好效果。目前，關(guān)于Al或Zn對Mg-Mn合金組織和性能影響的研究均是單獨開展的，Al和Zn的對比研究鮮有報道，且合金體系以及制備工藝不同，在橫向?qū)Ρ葧r，參考意義有限。綜上所述，文中擬基于Mg-1Al-1Mn合金和Mg-2Zn-1Mn合金開展研究，這2種合金的合金化元素含量較低，成本較低，具有廣闊的商業(yè)應(yīng)用前景。

1 實驗

1.1 材料制備

采用高純鎂（純度>99.99%）、高純鋁（純度> 99.99%）、高純鋅（純度>99.99%）與Mg-Mn中間合金（Mn質(zhì)量分數(shù)約為3%）進行熔煉，制備Mg-1Mn（M1），Mg-2Zn-1Mn（ZM21）和Mg-1Al-1Mn（AM11）合金鑄錠。熔煉氣氛為CO2+SF6混合氣體，CO2與SF6的體積比為99∶1。使用X射線熒光光譜儀分析合金成分，如表1所示。將熔煉所得鑄錠機械加工成80 mm×100 mm（高）的圓柱狀坯料，將坯料在280 ℃下預(yù)熱1.5 h后，擠壓制備成16 mm的棒材，擠壓比為25，擠壓加工率為96%，擠壓速度為1 m/min。

表1 M1，ZM21和AM11合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)）

Tab.1 Chemical compositions of the M1, ZM21 and AM11 alloys (mass fraction) %

1.2 顯微組織表征

采用電子背散射衍射（Electron backscattered diffraction，EBSD）技術(shù)對擠壓態(tài)合金的晶粒組織進行表征，利用配有EBSD探頭的場發(fā)射掃描電鏡（JEOL JSM-7800F）獲取EBSD數(shù)據(jù)，掃描步長為0.3 μm。EBSD樣品通過機械拋光至表面無明顯劃痕，使用AC2溶液進行電解拋光。AC2溶液由800 mL乙醇、100 mL異丙醇、18.5 mL蒸餾水、10 g八羥基喹啉、75 g一水合檸檬酸、41.5 g硫酸氫鈉和15 mL高氯酸配制而成。通過Chanel 5軟件對晶粒取向進行分析。

1.3 力學(xué)性能測試

使用萬能材料試驗機（CMT 5105）測試擠壓態(tài)合金的力學(xué)性能，拉伸試樣標(biāo)距為25 mm，橫截面的長×寬為6 mm×3 mm，樣品用線切割加工，測試應(yīng)變速率為1×10?3s?1，每種合金測試3個平行樣品，以確保重復(fù)率。

1.4 粘塑性自洽模型模擬

通過對真應(yīng)力-應(yīng)變曲線進行擬合，分析3種合金變形過程中變形機制的變化。

2 結(jié)果與分析

擠壓后M1，ZM21和AM11合金的反極圖如圖1所示。由圖1可知，3個合金均表現(xiàn)出不同的晶粒組織。其中，M1合金以等軸狀的動態(tài)再結(jié)晶晶粒為主，平均晶粒尺寸為3.2 μm。ZM21合金在擠壓后展現(xiàn)出典型的混晶組織特征，晶粒組織由等軸晶和拉長的變形晶粒構(gòu)成，平均晶粒尺寸為1.7 μm。雖然，AM11合金的晶粒組織與ZM21一致，但AM11的等軸晶更細小，平均晶粒尺寸為1.3 μm。可以看出，與M1合金相比，ZM21和AM11合金的晶粒尺寸均得到明顯細化。同時，當(dāng)Al的質(zhì)量分數(shù)為1%時，晶粒的細化效果更佳。

晶粒組織和尺寸的變化與變形過程中的再結(jié)晶行為有關(guān)，前期關(guān)于AM11合金的研究表明[10]，Al與Mn會形成大量的第二相，這些第二相一部分為微米級，一部分為納米級。由粒子促進形核（Particle stimulated nucleation，PSN）理論可知[19]，當(dāng)?shù)诙嗟某叽绱笥? μm時，能夠促進再結(jié)晶形核，有利于細化晶粒；當(dāng)?shù)诙嗔Ｗ訛榧{米級時，能夠有效釘扎再結(jié)晶晶界，降低晶界遷移速率，進而有效細化晶粒[20]。對ZM21合金而言，Zn以固溶原子的形式存在，固溶的Zn原子既不能產(chǎn)生PSN效應(yīng)，也沒有釘扎效應(yīng)，因此，ZM21的晶粒要粗于AM11合金。Zn固溶在Mg基體中，能夠有效降低熔點，由再結(jié)晶溫度公式（再結(jié)晶≈0.5熔點）可知，Zn的固溶能夠降低再結(jié)晶溫度，進而促進再結(jié)晶，因此，ZM21合金的晶粒尺寸比M1合金更細。綜上所述，在PSN效應(yīng)和釘扎效應(yīng)的共同作用下，AM11合金的平均晶粒尺寸最細小。

圖1 M1，ZM21和AM11合金的EBSD結(jié)果

M1，ZM21和AM11合金的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示。與曲線對應(yīng)的力學(xué)性能統(tǒng)計值見表2。M1合金表現(xiàn)出了高塑性，屈服強度、抗拉強度和斷裂伸長率分別為220 MPa，230 MPa和39.3%。加入Zn后，合金強度提升、塑性下降（ZM21），ZM21合金的屈服強度、抗拉強度和斷裂伸長率分別為260 MPa，289 MPa和22.3%。在3種合金中，AM11合金強度最高、塑性最低，其屈服強度、抗拉強度和斷裂伸長率分別為309 MPa，313 MPa和19.5%。結(jié)果表明，Al和Zn的加入雖然均能提高Mg-1Mn的強度，但會犧牲一定的塑性，這表明合金化元素的加入對塑性變形機制產(chǎn)生了一定影響。

圖2 M1，ZM21和AM11合金的極圖

圖3 M1，ZM21和AM11合金的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表2 M1，ZM21和AM11合金的力學(xué)性能

Tab.2 Mechanical properties of the M1, ZM21 and AM11 alloys

為分析添加了Al，Zn對塑性變形機制的影響，將工程應(yīng)力-工程應(yīng)變曲線轉(zhuǎn)化為真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線，如圖4a所示。根據(jù)式（2）（加工硬化率的定義式）繪制了加工硬化曲線，如圖4b所示。隨著應(yīng)變的增加，3個合金的加工硬化率均呈降低趨勢，且在塑性應(yīng)變?yōu)?.6～0.15時，加工硬化率由高到低依次為ZM21，AM11，M1。較高的加工硬化率意味著較高的位錯累積能力，說明在ZM21合金中，固溶的Zn能夠產(chǎn)生良好的固溶強化效果，有效阻礙了塑性變形過程中的位錯遷移，進而有效提升了材料的加工硬化率。AM11合金具有更加細小的晶粒，這使位錯塞積在晶粒內(nèi)變得更加困難，因此，加工硬化率比ZM21合金更低。與AM11和ZM21合金相比，M1合金的第二相粒子和固溶元素均較少，對位錯運動的阻礙作用較弱，因此，M1合金的加工硬化率較低。

式中：θ為加工硬化率；σ為應(yīng)力；ε為應(yīng)變。

綜上所述，在Mg-1Mn合金中添加的Zn和Al對合金的晶粒組織和變形機制有顯著影響，Zn和Al對變形態(tài)的Mg-1Mn合金均有良好的晶粒細化效果，有利于提高合金強度。同時，Zn和Al的添加改善了變形機制，可抑制塑性變形過程中的基面<>滑移，有利于促進非基面滑移的開啟，可協(xié)調(diào)變形。

表3 M1，ZM21和AM11合金的粘塑性自洽模型模擬參數(shù)

Tab.3 Simulation parameters of the visco-plastic self-consistent model in M1, ZM21 and AM11 alloys

圖5 粘塑性自洽模型模擬結(jié)果

3 結(jié)語

研究了鎂合金中常用合金化元素Zn和Al對Mg-1Mn擠壓鎂合金的晶粒組織和塑性變形機制的影響，得到以下結(jié)論。

1）Zn和Al可明顯細化Mg-1Mn擠壓鎂合金的晶粒，ZM21合金的平均晶粒尺寸為1.7 μm，AM11合金的平均晶粒尺寸為1.3 μm。

2）AM11合金具有較高的強度和良好的塑性，其屈服強度、抗拉強度和斷裂伸長率分別為309 MPa，313 MPa和19.5%。

3）Zn和Al能夠有效抑制Mg-1Mn合金中的基面<>滑移，并促進非基面滑移的開啟，在保持強度提高的同時，還具有良好的塑性變形能力。

[1] YANG Y, XIONG X M, CHEN J, et al. Research Advances in Magnesium and Magnesium Alloys Worldwide in 2020[J]. Journal of Magnesium and Alloys, 2021, 9: 705—747.

[2] SONG J F, SHE J, CHEN D L, et al. Latest Research Advances on Magnesium and Magnesium Alloys Worldwide[J]. Journal of Magnesium and Alloys, 2020, 8(1): 1—41.

[3] 彭鵬, 湯愛濤, 佘加, 等. 超細晶鎂合金的研究現(xiàn)狀及展望[J]. 材料導(dǎo)報, 2019, 33(9): 1526—1534.

PENG Peng, TANG Ai-tao, SHE Jia, et al. Ultrafine Grained Magnesium Alloys Research: Status Quo and Future Directions[J]. Materials Reports, 2019, 33(9): 1526—1534.

[4] XIAO L R, CHEN X F, WEI K, et al. Effect of Dislocation Configuration on Ag Segregation in Subgrain Boundary of a Mg-Ag Alloy[J]. Scripta Materialia, 2021, 191: 219—224.

[5] PAN H C, KANG R, LI J R, et al. Mechanistic Investigation of a Low-Alloy Mg-Ca-Based Extrusion Alloy with High Strength-Ductility Synergy[J]. Acta Materialia, 2020, 186: 278—290.

[6] JANG H S, LEE B J. Effects of Zn on Slip and Grain Boundary Segregation of Mg Alloys[J]. Scripta Materialia, 2019, 160: 39—43.

[7] BAHMANI A, ARTHANARI S, SHIN K S. Corrosion Behavior of Mg-Mn-Ca Alloy: Influences of Al, Sn and Zn[J]. Journal of Magnesium and Alloys, 2019, 7(1): 38—46.

[8] 劉婷婷, 潘復(fù)生. 鎂合金“固溶強化增塑”理論的發(fā)展和應(yīng)用[J]. 中國有色金屬學(xué)報, 2019, 29(9): 2050—2063.

LIU Ting-ting, PAN Fu-sheng. Development and Application of "Solid Soluition Strengthening and Ductulizing" for Magnesium Alloys[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2019, 29(9): 2050—2063.

[9] SHE J, PAN F S, GUO W, et al. Effect of High Mn Content on Development of Ultra-Fine Grain Extruded Magnesium Alloy[J]. Materials & Design, 2016, 90: 7—12.

[10] PENG P, HE X J, SHE J, et al. Novel Low-Cost Magnesium Alloys with High Yield Strength and Plasticity[J]. Materials Science and Engineering: A, 2019, 766: 138332.

[11] 張坤敏, 敬學(xué)銳, 何雄江川, 等. Mn對Mg-4Zn變形鎂合金組織與性能的影響[J]. 精密成形工程, 2020, 12(5): 46—52.

ZHANG Kun-min, JING Xue-rui, HE Xiong-jiang- chuan, et al. Effect of Mn on Microstructure and Properties of Mg-4Zn Wrought Magnesium Alloy[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2020, 12(5): 46—52.

[12] LIAO H X, KIM J, LIU T T, et al. Effects of Mn Addition on the Microstructures, Mechanical Properties and Work-Hardening of Mg-1Sn Alloy[J]. Materials Science and Engineering: A, 2019, 754: 778—785.

[13] ZHOU S, HE X, PENG P, et al. Achieving High Yield Strength and Ductility in As-Extruded Mg-0.5Sr Alloy by High Mn-Alloying[J]. Materials, 2020, 13(18): 4176.

[14] LIU S J, WANG K, WANG J F, et al. Ageing Behavior and Mechanisms of Strengthening and Toughening of Ultrahigh-Strength Mg-Gd-Y-Zn-Mn Alloy[J]. Materials Science and Engineering: A, 2019, 758: 96—98.

[15] 喻正文. Mg-Mn系合金顯微組織及力學(xué)性能的研究[D]. 重慶: 重慶大學(xué), 2015: 90—96.

YU Zheng-wen. Investigation on Microstructure and Mechanical Properties of Mg-Mn Series Alloys[D]. Chongqing: Chongqing University, 2015: 90—96.

[16] 馬仕達. Mg-Al-1Mn(=1,3,6,9)合金板材組織與性能研究[D]. 重慶: 重慶大學(xué), 2018: 21—39.

MA Shi-da. Investigation on the Microstructures and Mechanical Properties of Mg-Al-1Mn (=1,3,6,9) Alloy Sheets[D]. Chongqing: Chongqing University, 2018: 21—39.

[17] SHE J, PENG P, XIAO L, et al. Development of High Strength and Ductility in Mg-2Zn Extruded Alloy by High Content Mn-Alloying[J]. Materials Science and Engineering: A, 2019, 765: 138203.

[18] MOLINARI A, CANOVA G R, AHZI S. A Self Consistent Approach of the Large Deformation Polycrystal Viscoplasticity[J]. Acta Metallurgica, 1987, 35(12): 2983—2994.

[19] ROBSON J D, HENRY D T, DAVIS B. Particle Effects on Recrystallization in Magnesium-Manganese Alloys: Particle-Stimulated Nucleation[J]. Acta Materialia, 2009, 57(9): 2739—2747.

[20] ROBSON J D, HENRY D T, DAVIS B. Particle Effects on Recrystallization in Magnesium-Manganese Alloys: Particle Pinning[J]. Materials Science and Engineering: A, 2011, 528(12): 4239—4247.

[21] MALDAR A, WANG L, ZHU G M, et al. Investigation of the Alloying Effect on Deformation Behavior in Mg by Visco-Plastic Self-Consistent Modeling[J]. Journal of Magnesium and Alloys, 2020, 8(1): 210—218.

Effects of Al, Zn on the Grain Structure and Plastic Deformation Mechanism of As-Extruded Mg-1Mn Alloy

SONG Kai1, PENG Peng2, SONG Ze3, TANG Ai-tao3, SHE Jia3, ZHOU Shi-bo3, PAN Fu-sheng3

(1. Nuclear Power Institute of China, Chengdu 610213, China; 2. School of Metallurgy and Materials Engineering, Chongqing University of Science and Technology, Chongqing 401331, China; 3. College of Materials Science and Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China)

Effects of the alloying elements Al and Zn in magnesium alloys on grain structure and mechanical properties of extruded Mg-1Mn alloy were investigated in this study. It was beneficial to provide theoretical support for composition design and commercial application of Mn-containing alloys. The Mg-1Mn, Mg-1Mn-1Al and Mg-1Mn-2Zn alloys were hot extruded to prepare magnesium alloy rods at 280 ℃. The mechanical properties were analyzed by tensile test. The grain structure was studied by electron backscatter diffraction. The plastic deformation mechanism was studied by the visco-plastic self-consistent model. Among the three alloys, Mg-1Mn-1Al alloy exhibited the finest grains. The average grain size was refined to 1.3 μm. The tensile yield stress, ultimate tensile stress and fracture elongation are 309 MPa, 313 MPa and 19.5%, respectively. In the Mg-1Mn alloy, the effect of grain refinement of Al element was better than Zn element at lower content. The addition of Al and Zn effectively inhibited the basal <> slip and promoted the activating of non-base plane slip.KEY WORDS: Mg alloy; extrusion; grain structure; mechanical properties

10.3969/j.issn.1674-6457.2021.04.015

TG379

A

1674-6457(2021)04-0109-06

2021-06-02

重慶科技學(xué)院科研基金（ckrc2020016）；國家自然科學(xué)基金（51971042，51901028）；重慶市教育委員會科學(xué)技術(shù)研究計劃青年項目（KJ201903136636560）

宋鍇（1987—），男，博士，工程師，主要研究方向為先進輕合金材料。

彭鵬（1990—），男，博士，講師，主要研究方向為先進輕合金材料。