随着人们对提高燃油效率和减少二氧化碳排放需求的迅速增长，轻量化金属材料在汽车零部件中的应用受到了广泛关注。由于镁的密度比铝低，汽车零部件可以更多集中在挤压镁产品上，进一步降低汽车重量，但商用镁合金的可挤压性和力学性能普遍低于商用铝合金。近年来，Mg-Bi合金体系因具有良好的沉淀强化潜力和较低的合金化成本，已成为极具吸引力的新型无稀土镁合金，而Sn元素在Mg-Sn合金中形成热稳定的高熔点Mg₂Sn相(773 °C)。故Sn也可作为一种适当的合金元素来提高挤压Mg-Bi合金的力学性能而不降低其可挤压性。本文系统研究了Sn元素加入对合金挤压过程中动态再结晶（DRX）行为及材料微观组织和力学性能的影响，这些探索有望为开发具有高性能低成本新型镁铋基合金提供重要支撑。

最近，韩国庆北大学（Kyungpook National University）的Sung Hyuk Park教授课题组，联合日本京都大学（Kyoto University）的Jongbin Go博士和河北工业大学余晖教授课题组以Mg-Bi二元合金为基础，将4 wt.%的Sn元素添加到铸态Mg-5Bi（B5）合金并进行挤压，制备出新型挤压态Mg-5Bi-4Sn（BT54）合金，达到改善力学性能的同时不降低挤压性。结果表明，加入Sn后，合金平均晶粒尺寸（AGS）从123.9 μm降到75.2 μm。此外，挤压态BT54合金的YS和UTS均大于挤压态的B5合金，Sn的加入使EL从2.2%提高到5.8%，提高了2.63倍，表明Sn在开发具有优异性能的新型Mg-Bi基合金中有巨大潜力。

本文采用了EBSD评价了Sn添加对挤压态Mg-Bi合金样品的织构演变，两种挤压态合金呈现出由动态再结晶（DRX）等轴晶和严重拉长的非动态再结晶（unDRX）晶粒结构。如图1所示，挤压B5和BT54合金的DRX晶粒的AGS分别为113.3 μm和64.6 μm，表明Sn的加入使得挤压态BT54合金中形成了相对细小的DRX晶粒组织。两种挤压态合金的取向分布基本一致，均呈现<10-10>和<11-20>纤维织构，此外，随着Sn的加入，纤维织构强度略有增加，说明添加Sn对织构的作用与Bi相似，与Ca或RE有所不同。

图 1 挤压(a-c) B5和(d - f) BT54合金的反极图（IPF）、(0001)极图、(a, d) unDRX区域和(b, e) DRX区域的反极图（IPF）以及(c, f)  DRX晶粒的尺寸分布和平均尺寸。f_unDRX表示unDRX所占面积分数。

SEM进一步揭示了Sn添加对合金显微组织的影响，图2为挤压态B5和BT54合金的扫描电镜图。大量尺寸为200-600 nm的球形细颗粒均匀分布在两种合金中且数量密度相近，XRD结果表明，含有4 wt.% Sn的BT54合金中颗粒均为Mg₃Bi₂相。EPMA进一步验证，BT54合金中的Sn以溶质原子的形式均匀分布在合金基体中，无Mg₂Sn相析出，这与SEM观察结果一致。

图2 挤压(a, b) B5和(c, d) BT54合金的细小析出物的扫描电镜图

其中(b, d) A和B区域放大图。

其次，通过分析挤压B5和BT54合金的挤压尾料组织特征，研究了挤压过程中的DRX行为，重点关注了Sn元素对DRX晶粒生长的抑制作用。图3为B5和BT54合金挤压的EBSD图。可以看出随着挤压进行，DRX晶粒的分数逐渐增加。如BT54合金的DRX分数从A位置的52%增加到B位置的71%，挤压后增加到92.6%。由于Sn的原子半径是Mg的1.3倍，相对较多的Sn溶质原子(4wt .%)可能会引起材料中相当大的晶格畸变，最终增加晶格对位错运动的阻碍，抑制DRX晶粒在出模后生长。此外，与B5合金不同的是，BT54合金中，晶粒长大时，DRX晶界必须拖拽沿晶界分布的Sn溶质原子一起移动，从而抑制晶界迁移。因此，Sn溶质原子诱导的溶质阻力效应可能是抑制BT54合金中DRXed晶粒生长的原因。

图3 B5和BT54合金挤压尾部EBSD图：(a)纵向横截面和EBSD测量位置A和B；(b-e) IPF在(b, d) A和(c, e) B位置的(b, d) B5和(d, e) BT54合金。其中f_DRX和d_DRX分别表示DRX晶粒的分数和平均晶粒尺寸。

最后，本研究还探索了加入Sn元素后，Mg-Bi合金的应力和加工硬化行为。图4为挤压后合金的拉伸应力-应变曲线、加工硬化速率曲线及相应的拉伸性能示意图。结果表明，添加4 wt.%Sn可同时提高材料强度和塑性，挤压后BT54合金的硬化效应比挤压态B5合金更明显。除强度提高外，延伸率也从2.2%提高到5.8%。尽管挤压镁合金的晶粒同时包含DRX和unDRX晶粒，但当两种晶粒尺寸相当时，都会出现压缩和双孪晶。根据Hall-Petch关系，激活变形孪晶所需的应力随着晶粒尺寸增大而减小，因此在粗晶中比在细晶中更易形成变形孪晶。减少的DRX晶粒尺寸通过抑制拉伸变形过程中{10-11}孪晶和{10-11}-{10-12}双孪晶激活抑制了解理断裂，进而显著提高了挤压材料的塑性。

图4 挤压态B5和BT54合金的拉伸特性：(a)工程应力-应变曲线，(b)加工硬化率曲线，(c)拉伸性能汇总。YS、UTS、EL分别表示抗拉屈服强度、极限抗拉强度和延伸率。

综上，本研究通过向Mg-Bi合金中加入Sn元素并挤压制备了新型挤压态Mg-5Bi-4Sn（BT54）合金，发现Sn元素添加能够在提高挤压Mg-Bi合金力学性能的同时而不降低其可挤压性，此外新合金的延伸性大大提高。欣喜的是还解决了Mg合金替代Al合金的价格竞争力不足问题，为推动低成本高性能镁铋合金在轻量化金属材料的应用奠定了基础。

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