導讀：本文通過摩擦攪拌工藝製備Mg-9Li-1Zn超細晶合金，合金平均晶粒尺寸為0.61μm（α相）和0.96μm（β相）。在473K下，在10-1/s至10-4/ s的應變速率範圍內，合金可獲得了369％至1104％超塑性性能。
鎂合金由於低密度和高比強度而被認為是理想的輕量化汽車結構材料。然而室溫下常規鎂合金延展性較差。鋰的添加使合金顯微結構中引入bcc相，合金延展性顯著提高。Mg-Li合金在室溫下表現出良好的延展性和拉伸成形性，並且由於其在高溫下表現良好塑性，該合金在空航天領域同樣引起極大關注，並且對針對其塑性提高進行進一步研究。由於多晶材料超塑性的主要機理是晶界滑動，因此晶粒細化被認為是最理想的方法。通過等徑角擠壓（equal channelangular extrusion，ECAE），高變速比的差速軋制（high-speed-ratio differential speed rolling，HRDSR）和累積輥壓接合（accumulative roll-bonding，ARB）可將Mg-Li合金的晶粒尺寸細化到亞微米水平，從而實現超塑性。但是，這些技術對加工樣品尺寸要求較為嚴苛，限制了其實際應用。因此，需要一種可以實現晶粒細化，α/β相混合併不限制樣品尺寸的新方法。
自1991年TWI發明以來，摩擦攪拌焊接/加工（friction stir welding/processing，FSW/P）可通過施加較大的載荷和較低的工具轉速，將加工區的晶粒尺寸細化到亞微米水平。FSP具有細化微結構的能力，並且沒有尺寸限制。來自日本大阪大學和中國臺灣省國立東華大學的研究人員通過低溫FSP加工合金，並對其微觀組織以及473K下的塑性進行檢測分析。相關論文相關論文以題為「Pronounced low-temperature superplasticity of friction stir processed Mg–9Li–1Zn alloy」發表在Materials Science & Engineering A上。
論文連結：
https://doi.org/10.1016/j.msea.2020.139071
本文結果表明低溫FSP可生產超細晶粒的Mg-Li合金，該合金在很寬的應變速率範圍內都具有超塑性。在473K時，應變率為10-1/s和3.33*10-4/s時的最大超塑性分別可以達到369％和1104％。
圖1a和圖1b分別顯示了攪拌區的SEM圖和TEM圖。在圖1c中分別總結了α和β相的晶粒尺寸分布。α相和β相均表現出細化和等軸形態，平均晶粒尺寸分別為0.61μm和0.96μm。由於刀具低轉速，輸入熱量極低，因此在加工過程中晶粒生長受到限制。FSP可細化晶粒尺寸，並將兩相均勻混合，此外對樣品尺寸也沒有嚴苛要求。
圖1攪拌區的顯微組織（a）SEM圖;（b）TEM圖;（c）攪拌區α和β相的晶粒尺寸分布
圖2為低溫超塑性試驗結果。在相對較高的應變速率（如10-1/s和10-2/s）下材料出現頸縮，展現出優異的超塑性，10-1/s時為369％，在10-2/s下為445％。當應變率降低到10-3/s時，材料表現出均勻的斷裂伸長率。低應變速率下的應變硬化通常與高溫變形期間的晶粒長大有關。在降低的應變速率下延長變形時間為晶粒生長提供了更多時間，這導致在10-3/s到10-4/s的應變速率之間超塑性降低。
圖2（a）超塑性試樣在不同應變速率下以473K拉伸至斷裂；（b）真實應變-應力曲線；（c）流動應力和伸長率-初始應變率曲線
圖3顯示了在不同應變率下試樣斷裂失效後的微觀組織。超塑性變形後試樣晶粒尺寸小，α/β分布均勻，降低了晶粒的生長速率。但當應變速率降低到3.3×10-4/s或更低時，晶粒生長是明顯的，會破壞超塑性。
圖3（a）10-1/s；（b）10-2/ s；（c）10-3/s；（d）3.33*10-4/s和（e）10-4/s
總的來說，低溫摩擦攪拌處理的雙相Mg-Li合金在很寬的應變速率範圍內具有明顯的超塑性，其作用機理主要有兩點，一方面刀具低旋轉速度輸入的熱量很低，α相和β相晶粒均被細化至亞微米水平，減小的晶粒尺寸可增加了超塑性變形應變率；另一方面α相和β相混合均勻，α/β邊界長度的增加可優化超塑性。故低溫FSP是提高Mg-Li合金超塑性性能的重要方法。（文：衣兮）
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