近些年来，Mg-Zn系合金在生物工程和结构工程上有巨大的应用潜力。Zn的加入不仅能提高镁合金的强度，还能抑制杂质元素对耐蚀性能的影响。然而，该系列合金仍存在一些问题：二元合金的强化效果有限，整体绝对强度仍需进一步提高；凝固区间大，铸造性能差、容易热裂。为进一步改善该系列合金的组织和力学性能，通过复合添加多合金元素结合塑性加工工艺获得良好的组织和力学性能成为了新的研究热点。

最近，重庆大学国家镁合金材料工程技术研究中心陈先华教授课题组在Mg-4Zn (wt.%)系合金的基础上，通过采用低成本Ca和Mn元素的复合添加，系统研究了Mg-4Zn-xCa-yMn(x=0.3, 0.6, 1.0; y=0.2, 0.3, 0.7 wt.%)合金的组织、织构和力学性能，合金成分如表1所示。其中Mg-4Zn-0.6Ca-0.7Mn合金棒材具有良好的抗拉强度(320 MPa)与延伸率(16%)。性能的提升主要是由于细晶强化，第二相粒子产生的弥散强化和形变强化。该研究为低成本中高强变形镁合金的发展提供了参考。

表1 Mg-4Zn-xCa-yMn (wt.%)合金的化学成分及合金代号

系统研究了不同Ca、Mn含量对Mg-4Zn-xCa-yMn (wt.%)合金显微组织与力学性能的影响。EBSD结果表明Ca和Mn元素晶粒细化效果显著，如图1所示，随着合金元素含量的增加，晶粒尺寸逐渐降低，由7.1 μm (Alloy Ⅰ)下降到1.9 μm (Alloy Ⅸ)。合金含量的提高还增加了未再结晶体积分数，织构强度也随之增强。Ca元素本身具有织构弱化效应，但由于Mn的复合添加，合金的再结晶分数降低使得整体呈现出织构增强的趋势，如图2所示，未再结晶区域体现出明显强于再结晶区域的织构强度。

Ca的添加生成了Ca₂Mg₆Zn₃相，分布在晶界和晶粒内部，如图3所示。在图(b)中发现Ca₂Mg₆Zn₃相内部有深色的颗粒，EDS表明深色块状颗粒是Mn相，进一步的高分辨分析表明，Mn颗粒可以作为Ca₂Mg₆Zn₃相的异质形核点，促进Ca₂Mg₆Zn₃相的动态析出。

图1 挤压态Mg-4Zn-xCa-yMn合金的IPF图和Schmid factor分布图：(a~d) Ⅰ-Ⅳ合金，(e~g) Ⅶ-Ⅸ合金

图2 未再结晶分布图及对应的微观织构分析：(a~b) Alloy Ⅰand Alloy Ⅱ，(c~f) Alloy Ⅵ~Ⅸ，(g~l) 对应合金的微观织构

图3 (a~c) TEM 明场相与EDS分析，(d~f)Mn与Ca₂Mg₆Zn₃相的HRTEM分析，(g~i)对应的FFT转变

Ca、Mn的添加对力学性能也有显著的影响，如图4所示。在相同Ca含量下，Mn的加入使得屈服强度和抗拉强度有着不同程度的增加，强度增量最大值出现在Mg-4Zn-0.6Ca-yMn (wt.%)系列合金中，屈服强度由213 MPa增加到286 MPa，抗拉强度由278 MPa增加到320 MPa，但延伸率由24%下降到16%。在相同Mn含量下，Ca含量的增多也提高了合金的屈服强度和抗拉强度，特别是在Mg-4Zn-xCa-0.7Mn (wt.%)中，屈服强度由206 MPa增加到327 MPa，抗拉强度由289 MPa增加到332 MPa，但延伸率从26%下降到9%。综合9个合金的力学性能，Mg-4Zn-0.6Ca-0.7Mn具有良好综合力学性能，抗拉强度为320 MPa，延伸率为16%。

图4 Mg-4Zn-xCa-yMn合金的力学性能

Ca、Mn合金元素对力学性能的提升主要原因为细晶强化、弥散强化、织构强化和形变强化，并采用数学计算模型评估了不同强化机理的强化贡献值。其中根据Hall-Petch关系，计算得到晶界强化的贡献值约为192 MPa；根据位错绕过第二相粒子机制，弥散强化的贡献值约30 MPa左右；而形变强化()也提供了约40 MPa的强度贡献值。除此之外，还分析了由于未再结晶分数提高造成织构强化的原因，大量细长的未再结晶区域贯穿在内部，使得晶粒尺寸分布变得不再均匀，在多晶体中，塑性变形需要协调变形，未再结晶区域使得塑性变形困难从而提高了材料的强度。

综上所述，本文系统研究了低成本合金元素Ca、Mn复合添加对Mg-4Zn合金组织、织构与力学性能的影响。分析了合金内部的第二相成分、动态再结晶过程，讨论了织构演变和强化机制。为采用低成本合金元素改善镁合金材料的组织和力学性能提供了参考。

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