鎂科研：往復擠壓工藝對工業純鎂進行室溫劇烈塑性變形

2020-11-08 鎂途

論文概述


鎂合金由於其密排六方結構，室溫變形困難。在室溫下採用傳統的軋制或擠壓等加工方式容易導致鎂及其合金開裂失效，而在較高溫度下進行加工會導致材料發生回復和動態再結晶，減弱加工硬化效應。往復擠壓（CEC）工藝是室溫下最有潛力的大塑性變形方法之一，可顯著細化晶粒，同時由於靜水壓力的作用實現材料在大應變下變形不發生破裂。研究表明，AM60鎂合金經過4道次的往復擠壓後，力學性能提高了四倍。然而，該方法存在臨界往復擠壓次數（通常是4）和最小晶粒尺寸，超過臨界次數後，後續往復擠壓變形既沒有明顯的晶粒細化效果，也沒有較大的加工硬化效應。目前對於該過程的了解仍然不夠深入。

近日，來自波蘭克拉科夫AGH科技大學的B. Sułkowski博士等人通過往復擠壓工藝在室溫下對商業純鎂進行大塑性變形加工。結果表明，往復擠壓工藝將純鎂晶粒尺寸從26 μm顯著細化至6.4 μm，壓縮屈服強度從42 MPa提升至160 MPa；初始棒材為典型的強擠壓織構，經往復擠壓後，織構轉變為強基面軋制織構，並且織構強度隨著往復擠壓道次數的增加而減弱。

利用五缸液壓機在室溫下對直徑為10 mm的純鎂擠壓棒進行1、2、4道次往復擠壓加工，總變形應變分別為0.45、1.3、3.1。往復擠壓模具由兩個直徑相同的擠壓筒、兩擠壓筒內的衝頭和一個連接在兩個擠壓筒之間的直徑更小的部分組成，如圖1所示，通過兩個衝頭的周期性反向運動實現材料的大塑性變形。該工藝使試樣具備良好的塑性變形條件，可在保持純鎂試樣尺寸不變的情況下，實現其組織和力學性能持續變化。

圖1 CEC工藝示意圖

初始態和不同道次CEC加工後純鎂的微觀組織如圖2所示。初始態試樣的晶粒尺寸為26 μm，經過1、2、4道次CEC後平均晶粒尺寸分別降低至14 μm、13 μm和6.4 μm。

圖2 純鎂的顯微組織：(a)初始態；(b) (c) (d)1、2、4次CEC

從試樣的EBSD圖（圖3）中可以發現，在初始態純鎂中，晶粒的c軸方向垂直於ED（藍色和綠色）。經過1道次CEC後，大量晶粒取向改變為接近[0001]（紅色），也存在c軸與ED平行的晶粒。經過兩次變形後，大多數晶粒的取向與ED平行（紅色）。然而，經過4道次CEC後，可以觀察到大量的小晶粒在拉長區域內形成，這些拉長區域主要為壓縮孿晶。經過4道次變形後，仍然可以觀察到部分壓縮孿晶（淺藍色條紋）。



圖3 初始態及1、2、4道次CEC變形後純鎂的EBSD圖(箭頭指孿晶動態再結晶區域)

純鎂的室溫加工硬化曲線如圖4所示，可以發現在前兩次CEC變形之後，試樣的硬化效果最明顯。試樣在1、2、4道次CEC後的壓縮屈服強度由初始態的42 MPa分別增加至106 MPa，142 MPa和160 MPa。在經過1道次CEC後，晶粒尺寸從26 μm降低至14 μm，硬度從32 HV增加到40 HV（見表1）。然而，經過4道次CEC後，雖然晶粒尺寸繼續減小至6.4 μm，但材料硬度並未進一步增加。這可能是由於在室溫變形過程中，孿晶動態再結晶佔據主導地位，導致材料發生軟化。

圖4 (a)CEC後純鎂的加工硬化曲線；(b)屈服強度隨往復擠壓次數變化

表1 CEC加工純鎂試樣的平均晶粒尺寸和力學性能

初始態純鎂的織構主要為強擠壓織構，其大多數晶粒的c軸垂直於ED方向（圖5a）。經過一道次CEC後，純鎂表現為強基面軋制織構。主要是由於在壓縮過程中，變形晶粒發生旋轉，使滑移面向壓縮方向(ED)移動。在CEC結束後，一部分晶粒呈c軸平行於ED排列，具有硬取向（圖5b）。隨著CEC道次數的增加，純鎂的織構減弱。在進行2道次和4道次CEC後，在c軸與ED平行的晶粒（圖3中紅色）中出現了{10-11}壓縮孿晶（圖3中淺藍色）。由於晶粒的c軸相對於ED傾斜了60°，因此容易發生滑移變形，在具有硬取向晶粒的鎂中主導變形過程。壓縮孿晶通過孿晶動態再結晶過程形成新的具有隨機取向的晶粒，這些新形成的晶粒位錯密度較低，取向比原始晶粒更容易發生基面滑移。因此，4道次CEC後的顯微組織雖比1道次後更細，但並沒有觀察到明顯的硬化效果。這對於我們通過大塑性變形製備鎂合金具有一定指導意義。

圖5 {0002}和{10-10}極圖

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