镁科研:纯镁和Mg-1Al合金的变形行为

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镁合金作为最轻的结构金属,在交通运输行业具有极大的应用潜力。然而,由于镁合金的hcp晶体结构,基面织构较强,导致合金的延展性较差。研究表明,通过添加稀土元素、钙和锌,可以弱化基面织构,从而提高合金的延展性。目前针对稀土元素提高镁合金延展性已经开展了大量研究,但由于稀土元素的成本高及其战略特性,不利于镁合金的广泛应用。而对于大多数非稀土元素对镁合金延展性影响的研究,通常是在三元或四元合金体系中进行,关于这些元素对镁合金延展性的内在影响还不清楚。尤其是对于镁合金的主要合金元素—Al对延展性影响的研究非常少,且研究结果存在一定的争议。例如基于模拟的研究表明,Al在镁中的固溶对于增加镁延展性的影响可以忽略不计,但实验结果却发现Al的固溶可以提高镁合金的延展性。因此,目前关于Al在镁中的固溶对二元镁铝合金变形行为和塑性的影响尚不明确,有待进一步研究。
近日,来自韩国浦项科技大学的Nack J. Kim教授等人采用滑移迹线分析和电子背散射衍射(EBSD)相结合的方法,研究了具有相近晶粒尺寸的纯镁和Mg-1Al合金在不同应变下的拉伸变形行为。结果表明,与具有相近晶粒尺寸和织构组分的纯镁相比,Mg-1Al具有更高的强度(屈服强度为112 MPa,抗拉强度为203 MPa,纯镁的分别为85 MPa和135 MPa,)和更好的塑性(伸长率为17%,纯镁的为3%)。Al的添加促进了合金中非基面滑移系(锥面I滑移和锥面II滑移等)的激活,尤其是在变形初期阶段。随着应变增加,非基面滑移的初始滑移线逐渐粗化并最终在表面形成台阶。
论文研究了Mg-1Al合金和纯镁试样的微观组织和拉伸性能。Mg-1Al合金和纯镁的平均晶粒尺寸相近,分别为14.5 μm和15.2 μm。XRD分析表明,Mg-1Al合金呈现出典型的基面织构,其(0002)极图如图1所示。拉伸试验表明,与晶粒尺寸和织构组分相近的纯Mg(屈服强度为85 MPa,抗拉强度为135 MPa,伸长率为3%)相比,Mg-1Al合金具有更高的强度(屈服强度为112 MPa,抗拉强度为203 MPa)和更好的塑性(伸长率为17%)。

图1 退火状态下的微观组织和(0002)极图,(a, c)Mg-1Al合金,(b, d)纯镁

论文系统研究了Mg-1Al合金在拉伸变形过程中局部取向差的变化。通过计算不同应变下的局部取向差(KAM)值,以探究不同取向的晶粒对拉伸变形的反应(图2)。白色虚线圆圈标示了KAM值变化微小的区域,表明随着应变从0.2%增加到10%,这些晶粒未经历较大变形。图3为Mg-1Al合金和纯Mg的晶粒平均取向差(GAM)。当拉伸应变为2%时,纯镁中GAM值大于0.6°的晶粒占比为57%;而Mg-1Al合金中GAM值大于0.6°的晶粒占比为87%。此外,随着拉伸应变从2%增加到10%,Mg-1Al合金中GAM值在1.0°-1.2°范围内的晶粒最多,合金总GAM值增加(图3f)。表明在相同的拉伸应变下,Mg-1Al合金比纯镁能适应更大程度的变形。

图2 Mg-1Al合金在拉伸应变至(a)0.2%(屈服),(b)2%和(c)10%后的KAM图,白色虚线圆表示KAM值微小变化区域

图3 纯镁在(a, d)2%应变后,Mg-1Al合金在(b, e)2%应变,(c, f)10%应变后的GAM图,以及2%应变后纯镁和Mg-1Al合金中GAM值大于0.4°的晶粒的极图

论文通过原位拉伸EBSD和扫描电子显微镜进行了滑移痕迹和晶粒内取向差轴(IGMA)分析,系统研究了纯镁和Mg-1Al合金的变形行为。Mg-1Al合金拉伸后的晶粒主要有四种取向,典型代表为图1中晶粒#1、#2、#3、#4,其取向分别为c轴平行于ND、c轴从ND向RD偏转、c轴从ND向TD偏转以及c轴从ND向RD和TD偏转。表1为这四种晶粒内不同滑移系的施密特因子(SF),而纯镁中具有相同取向的晶粒分别为图1中的晶粒#1’、晶粒#2’、晶粒#3’和晶粒#4’。滑移痕迹和IGMA分析表明,在Mg-1Al的基面取向晶粒#1中,发生了锥面I滑移,且滑移线随着应变增加逐渐变厚,在表面形成台阶(图4);而在纯镁的基面取向晶粒#1’中(图5),出现了(12-12)锥面II滑移(红色箭头),并发生了晶粒翘曲(黄色箭头),且翘曲程度随应变增加而增大。在Mg-1Al的晶粒#2中,出现了基面滑移和拉伸孪晶,随着应变增加,激活了锥面II滑移,且滑移线逐渐变厚并形成表面台阶;而在纯镁的晶粒#2’中,也出现了基面滑移和拉伸孪晶,但并未激活其他非基面滑移系。对于Mg-1Al中的晶粒#3,由于基面滑移的施密特因子非常低,直到应变至2%时才激活了锥面II滑移,滑移线随应变增加变厚并形成表面台阶;而纯镁的晶粒#3’由于实际并未发生变形,没有形成清晰的滑移线。对于晶粒#4和#4’,除发生基面滑移外,还形成了拉伸孪晶,但随着应变进一步增加,并未激活其他滑移系。这些结果进一步证实在纯镁中添加1Al后,促进了Mg-1Al合金中非基面滑移系的激活,且这种激活易发生在变形的初期阶段。随着拉伸应变的增加,出现应变局部化现象,致使合金在表面形成台阶而未激活其他滑移,这可能是导致Mg-1Al合金的塑性比具有相同织构组分和晶粒尺寸的Mg-1Al-0.1Ca合金稍低的原因。

表1 Mg-1Al中晶粒#1-#4滑移系的施密特因子


图4 Mg-1Al中晶粒#1的滑移痕迹分析:(a)拉伸变形前,(b)屈服后,(c)10%应变后,(d)可能滑移系的滑移痕迹,(e)屈服后的IGMA分布,(f)2%应变后的IGMA分布

图5 纯镁中晶粒#1’的滑移痕迹分析:(1)屈服后,(2)2%应变后,(3)可能滑移系的滑移痕迹,(4)2%应变后的IGMA分布
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本文作者2021-5-14 14:17
镁途
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