變形鎂合金織構(gòu)及織構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于鎂合金具有強(qiáng)度高、剛度高、主導(dǎo)導(dǎo)電性好、衰減衰減、磁體屏蔽、加工方便等優(yōu)點(diǎn)，鎂合金具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。這被稱為“21世紀(jì)綠色工程材料”。與鑄造鎂合金相比,變形鎂合金具有更大的發(fā)展?jié)摿?通過(guò)材料結(jié)構(gòu)的控制、熱處理工藝的應(yīng)用,變形鎂合金可獲得更高的強(qiáng)度、更好的延展性和更多樣化的力學(xué)性能,從而滿足多樣化工程結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用需求。鎂合金由于具有密排六方晶體結(jié)構(gòu),室溫下獨(dú)立的滑移系少,導(dǎo)致變形加工困難。因此,變形鎂合金往往需要加熱到一定溫度并通過(guò)擠壓、軋制及鍛造等熱成形技術(shù)加工而成。鎂合金有限的滑移系導(dǎo)致了其在塑性變形后容易形成較強(qiáng)的基面織構(gòu)。近年來(lái),隨著變形鎂合金用量的增加以及研究的不斷深入,織構(gòu)對(duì)鎂合金力學(xué)性能的影響越來(lái)越受到材料學(xué)者和工程設(shè)計(jì)人員的重視。關(guān)于鎂合金織構(gòu)的研究已成為變形鎂合金的研究熱點(diǎn)之一。一方面,通過(guò)對(duì)織構(gòu)形成機(jī)制的研究可豐富鎂合金塑性變形的基礎(chǔ)理論;另一方面,通過(guò)引入新的變形方式和添加微量稀土元素可弱化鎂合金織構(gòu),從而實(shí)現(xiàn)織構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì),這對(duì)于發(fā)展新型的塑性成型技術(shù)和開(kāi)發(fā)具有成形性高的鎂合金材料具有重要意義。本文作者針對(duì)現(xiàn)有鎂合金的主要織構(gòu)類型及織構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜合評(píng)述。1變形鎂金織物結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和控制1.1財(cái)務(wù)變形變形方式鎂單晶的滑移系有的a滑移,以及等晶面的c+a滑移。但是滑移系開(kāi)動(dòng)的臨界剪切應(yīng)力(CRSS)在各自滑移系上的差別非常明顯。基面滑移系的CRSS值最低約為0.5~0.7MPa,而柱面及錐面滑移系的CRSS約為基面滑移系的100倍。除了位錯(cuò)滑移,鎂合金中有拉伸孿生壓縮孿生,以及等晶面的孿生。但是拉伸孿生變形的臨界驅(qū)動(dòng)力最低。通常鎂合金中最容易發(fā)生變形的方式為基面a滑移及孿生變形,這也是鎂合金中形成強(qiáng)織構(gòu)的主要原因。如圖1所示,當(dāng)鎂晶體中c軸處于受拉狀態(tài)時(shí),容易發(fā)生孿生變形,孿生后的取向與母體晶粒成86.3°的位向關(guān)系。孿生后晶體的c軸平行于外加應(yīng)力軸。所以發(fā)生孿生變形后的鎂合金,容易形成c軸平行于外加應(yīng)力軸的織構(gòu),如擠壓絲織構(gòu)及軋制板織構(gòu)。對(duì)純鎂壓縮變形后的原位背散射電子衍射(EBSD)觀察發(fā)現(xiàn),隨著變形量增加,孿晶的體積分?jǐn)?shù)增加、合金的取向逐步發(fā)生變化,如圖2所示。孿生變形后,晶粒的取向發(fā)生明顯變化。如圖3所示,壓縮過(guò)程中,c軸逐漸轉(zhuǎn)向于壓縮軸平行(壓縮軸平行于ED)。20%變形后,主要的織構(gòu)取向顯示其c軸幾乎都平行于壓縮軸。這就是鎂合金在變形過(guò)程中容易形成織構(gòu)的原因。因?yàn)樽冃文Ｊ降膯我换鰪?qiáng)了晶粒取向與外加應(yīng)力場(chǎng)的依賴性。鎂合金變形過(guò)程中,如果其他非基面滑移系增加,以及其他孿生方式增加,而不是較單一的基面位錯(cuò)滑移和孿生,鎂合金的織構(gòu)則會(huì)隨之弱化。1.2混合擠壓變形織構(gòu)變形鎂合金中主要有兩類變形織構(gòu):擠壓(拔絲)時(shí)形成纖維織構(gòu),板材軋制時(shí)形成的板織構(gòu),而通過(guò)等通道角擠壓等變形方式形成了其他類型的變形織構(gòu)。1)鎂合金纖維織構(gòu)鎂合金在擠壓(拔絲)等塑性變形過(guò)程中易形成(0001)平面平行于擠壓(拔絲)方向(ED)的纖維織構(gòu),同時(shí)在單向壓縮過(guò)程中能形成(0001)平面垂直于壓縮方向的纖維織構(gòu)。圖4所示為擠壓過(guò)程中形成纖維織構(gòu)的晶粒的取向示意圖。絕大多數(shù)晶粒的基面是平行于擠壓方向的。鎂合金擠壓后的織構(gòu)還隨著擠壓制品斷面的不同而有所區(qū)別:在進(jìn)行棒材擠壓時(shí),應(yīng)力狀態(tài)為軸對(duì)稱狀態(tài),(0001)面平行于擠壓方向,晶粒取向自由度大,晶?？梢员ＷC基面平行于擠壓方向的同時(shí)圍繞著擠壓方向發(fā)生360°轉(zhuǎn)動(dòng);而在進(jìn)行板材等復(fù)雜斷面型材擠壓的時(shí)候,由于僅在局部是面對(duì)稱,晶粒取向自由度較小,基面法向TD方向偏移較少。在擠壓管材的時(shí)候,容易形成兩個(gè)取向的絲織構(gòu),一種是c軸平行于徑向(RD組分),另一種是c軸平行于管材切向(TD)。圖5所示為AZ31棒材擠壓和AZ61板材擠壓態(tài)鎂合金(0001)面極圖。可以發(fā)現(xiàn),在板材擠壓時(shí)有少量的晶粒(0001)面垂直于擠壓方向,而在棒材擠壓過(guò)程中,在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)所有晶?；嫫叫杏跀D壓方向。擠壓工藝對(duì)鎂合金擠壓后的織構(gòu)具有明顯的影響,PARK等研究AZ31合金在不同溫度及變形速度下擠壓后的織構(gòu),變形溫度及速度的差異導(dǎo)致基面織構(gòu)的強(qiáng)弱差異。AZ31經(jīng)300℃擠壓后比經(jīng)250℃擠壓后的絲織構(gòu)更強(qiáng)。而擠壓速度高,絲織構(gòu)更明顯。但是溫度及速度對(duì)擠壓后織構(gòu)的影響規(guī)律也因合金體系不同有明顯差別。SHAHZAD和WAGNER研究發(fā)現(xiàn),AZ80合金擠壓過(guò)程中,擠壓比對(duì)于合金的織構(gòu)有明顯的影響,擠壓比小的條件下對(duì)應(yīng)的合金絲織構(gòu)更強(qiáng)。2)鎂合金板織構(gòu)鎂合金在軋制過(guò)程中將形成(0001)面平行于軋面的織構(gòu)。圖6所示為在軋制過(guò)程中形成板織構(gòu)后的晶粒取向示意圖。同樣,在軋制過(guò)程中形成的板織構(gòu)隨著軋制道次的增加而變化。圖7所示為不同道次軋制后AZ61合金板材的(0001)極圖。在軋制次數(shù)少的厚軋板中,基面織構(gòu)強(qiáng)度較弱,有較多晶粒由基面法向向TD方向偏移,當(dāng)軋制道次增加,軋板厚度降低時(shí),基面織構(gòu)的強(qiáng)度增強(qiáng),大多數(shù)晶?；嫫叫杏谲埌迤矫妗ｆV合金軋制變形過(guò)程中的工藝參數(shù)影響軋制過(guò)程中的位錯(cuò)滑移及孿生方式,從而影響板材的最終織構(gòu)與力學(xué)性能,AZ31合金軋制過(guò)程中,當(dāng)軋制溫度從300℃升高到400℃時(shí),增加了{(lán)101}1壓縮孿晶的比率。由于{101}2拉伸孿晶與母晶粒成86.3°的位向關(guān)系,{101}1壓縮孿晶與母晶粒成56°位向關(guān)系,如圖8所示,從而基面織構(gòu)弱化,合金伸長(zhǎng)率提高。3)其他類型變形織構(gòu)鎂合金等通道角擠壓(ECAP)是一種能夠有效細(xì)化晶粒的塑性變形方式,由于變形過(guò)程中,鎂合金發(fā)生了明顯的剪切變形,其剪切的角度跟ECAP的模具結(jié)構(gòu)以及擠壓道次間的路線設(shè)計(jì)直接相關(guān)。鎂合金在進(jìn)行ECAP變形時(shí)易產(chǎn)生基面與擠壓方向成一定夾角的織構(gòu)。晶粒取向示意圖如圖9所示。圖10所示為AZ61圓棒在經(jīng)過(guò)不同道次ECAP擠壓后織構(gòu)演變情況。隨著擠壓道次的增加,由典型的絲織構(gòu)轉(zhuǎn)化為其他類型織構(gòu)取向。2織構(gòu)化的影響位錯(cuò)滑移及孿生是鎂合金的主要變形方式?？棙?gòu)影響鎂合金的力學(xué)性能主要體現(xiàn)在影響其位錯(cuò)滑移及孿生。材料外加應(yīng)力與滑移系的對(duì)照關(guān)系可以用Schmid因子來(lái)說(shuō)明,如圖11所示。外力施加在滑移系上的剪切力與Schmid因子有關(guān),Schmid及外力施加在滑移面上的分切應(yīng)力計(jì)算公式如圖11中所示。對(duì)于可動(dòng)獨(dú)立滑移系較多的FCC及BCC金屬而言,晶體取向?qū)chmid因子的影響非常小。但是鎂合金的滑移系非常少。所以外加應(yīng)力在基面滑移系上的Schmid因子高時(shí),位錯(cuò)滑移更容易開(kāi)動(dòng),合金塑性好,反之,當(dāng)鎂合金存在強(qiáng)織構(gòu)并且基面滑移系的分切應(yīng)力低時(shí),合金的塑性成形能力差。圖12所示為室溫條件下鎂單晶體的平面應(yīng)變壓縮應(yīng)力—應(yīng)變曲線,說(shuō)明了晶體取向?qū)︽V單晶的變形抗力有明顯的影響。對(duì)應(yīng)于具有纖維織構(gòu)的鎂合金棒材,大部分晶粒{0001}基面平行于擠壓方向。在沿著擠壓方向拉伸的時(shí)候,晶粒沿c軸受到壓縮,同時(shí)基面滑移系Schmid因子接近于0,分切應(yīng)力也接近于0,所以滑移系的開(kāi)動(dòng)比較困難。同時(shí)由于合金中c軸處于受壓狀態(tài),(101)2孿晶的開(kāi)動(dòng)困難,必須在較高的應(yīng)力下才能夠開(kāi)動(dòng)壓縮孿晶及其他孿生模式。當(dāng)具有該織構(gòu)的合金沿?cái)D壓方向壓縮時(shí),c軸處于受拉狀態(tài),(1012)孿生容易啟動(dòng),合金變形抗力低。從而在含絲織構(gòu)的合金中容易出現(xiàn)明顯的拉壓不對(duì)稱性。而具有板織構(gòu)的鎂合金板材,織構(gòu)對(duì)合金力學(xué)性能的影響的原理與此類似,在與軋制方向?yàn)?°、45°、90°的樣品表現(xiàn)了明顯的各向異性。對(duì)應(yīng)于經(jīng)ECAP等變形方式成型的鎂合金,由于織構(gòu)取向中顯示其基面與擠壓發(fā)現(xiàn)成接近45°的方向,所以在基面滑移系上的分切應(yīng)力因子高,從而大幅度提高了合金的室溫塑性,圖13所示為擠壓態(tài)和ECAE態(tài)AZ31鎂合金的室溫拉伸和壓縮曲線。由圖13可以看出,織構(gòu)的改變明顯改善了鎂合金的力學(xué)性能。3塑性的成型性織構(gòu)的存在對(duì)變形鎂合金的力學(xué)行為影響明顯,因此,鎂合金的織構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)改善和提高變形鎂合金的塑性成型性具有非常重要的意義。而近年來(lái)關(guān)于織構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計(jì)方向也受到廣大研究者的關(guān)注,其中比較明顯的兩個(gè)研究方向是:1)通過(guò)改變鎂合金塑性成型的路徑,引入剪切變形等,改變基面的取向分布;2)通過(guò)引入稀土元素,獲得織構(gòu)隨機(jī)化的效果,開(kāi)發(fā)具有高塑性的鎂稀土合金體系。3.1引入剪切變形通過(guò)變形路徑改變鎂合金織構(gòu)的思路最早由MUKAI等提出。如圖9所示,由于變形路徑中合金經(jīng)歷了一定角度的剪切變形,使得最終樣品中基面法向與擠壓方向成30°~45°角度。因?yàn)榛嫖幌虻母淖兌辖鸬纳扉L(zhǎng)率大幅提高,由此而引出了更多的研究方向,在鎂合金的塑性成形過(guò)程中引入適當(dāng)?shù)募羟凶冃?可優(yōu)化合金的織構(gòu)取向,包括ECAP的大塑性變形、異步軋制、反復(fù)疊軋等變形工藝。AZ31合金軋制過(guò)程中,由于增加了反復(fù)剪切變形,板材基面織構(gòu)弱化及晶粒細(xì)化,合金強(qiáng)度可提高到400MPa。鎂合金在實(shí)施攪拌摩擦焊加工過(guò)程中,表面層金屬受到剪切應(yīng)力作用,合金表層基面織構(gòu)弱化,由表層往中心織構(gòu)梯度明顯。合金的伸長(zhǎng)率提高但強(qiáng)度降低。鎂合金板材經(jīng)過(guò)異步軋制后,基面板織構(gòu)的最大極密度降低,這也是由于軋制過(guò)程中引入剪切變形促使的織構(gòu)弱化效應(yīng)。雖然改變變形路徑一定程度上可以改變或弱化鎂合金的纖維織構(gòu)或板織構(gòu),但是當(dāng)生產(chǎn)較大尺寸的擠壓板型材時(shí),設(shè)計(jì)特別的路徑給工業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)了新的困難和挑戰(zhàn)。3.2提高基面板織構(gòu)MISHRA等指出純鎂添加0.2%Ce后擠壓態(tài)合金表現(xiàn)出明顯的織構(gòu)弱化,如圖14所示,織構(gòu)強(qiáng)度最大值從2.7下降到1.5。而添加0.2%Ce以后的Mg-Ce二元合金的伸長(zhǎng)率大幅提升,如圖15所示。微量稀土添加后鎂合金板材也有明顯的織構(gòu)弱化效果,HANTZSCHE等研究了Nd、Y和Ce元素添加后對(duì)合金板材織構(gòu)的影響規(guī)律(如圖16所示),隨著稀土含量增加,基面板織構(gòu)明顯弱化。雖然少量稀土元素添加后能夠弱化鎂合金變形織構(gòu),伸長(zhǎng)率大幅提升,但是合金強(qiáng)度依然很低。需要增加強(qiáng)化因素提高合金的綜合強(qiáng)韌性。引入合適的強(qiáng)化因子,包括析出相、固溶強(qiáng)化等。在Mg-Ce二元合金基礎(chǔ)上添加Zn元素,明顯提高合金的強(qiáng)度。Al元素常被用于提高鎂合金強(qiáng)度和硬度,但是Al元素易與Ce在鎂合金中形成Al11Ce3,削弱Ce對(duì)于合金晶粒細(xì)化和織構(gòu)弱化的效果。比如在AZ31合金中添加Ce及Y等元素,合金的織構(gòu)取向變化不大。Zn元素常被用于提高變形鎂合金強(qiáng)度。LUO等研究了不同含量的Zn(2.4%、4.9%和7.6%)元素對(duì)Mg-Zn-Ce合金組織和性能的影響,隨著Zn元素含量增加,合金強(qiáng)度提高,但是塑性降低,當(dāng)Zn含量為2.4%時(shí),合金表現(xiàn)出良好的塑性及較好的強(qiáng)度,綜合力學(xué)性能較好。4稀土元素和y、ce、nd通過(guò)改變鎂合金變形路徑從而改變鎂合金織構(gòu)的原因主要是因?yàn)橐肓思羟凶冃?如ECAP等變形方式。在軋制后鎂合金組織常會(huì)出現(xiàn)變形不均勻現(xiàn)象,在微觀組織中出現(xiàn)很明顯的孿生、剪切帶,他們可以為再結(jié)晶提供形核點(diǎn),這些變形帶能夠使再結(jié)晶晶?；嫫叫杏诩羟衅矫?造成一定程度上的織構(gòu)強(qiáng)度的弱化。稀土合金元素的添加同樣對(duì)鎂合金織構(gòu)弱化作用明顯,但其機(jī)理還不夠清晰。HUMPHREYS和HATHERLY研究發(fā)現(xiàn),添加10%(體積分?jǐn)?shù))的SiC顆粒后,極大地降低了鎂合金變形基面織構(gòu)的強(qiáng)度,晶粒取向分布更加隨機(jī)化,也就是粒子促進(jìn)形核機(jī)理(PSN)。也有研究表明Ce元素織構(gòu)弱化的效果主要是顆粒促進(jìn)形核引起的,Ce元素的添加并不能改變鎂合金的c/a值,但是Ce在鎂合金中的固溶度非常低,易形成第二相顆粒,在變形中引發(fā)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,起到弱化織構(gòu)的作用。但是,PSN機(jī)制不足以解釋所有織構(gòu)弱化的現(xiàn)象。對(duì)于一些鎂稀土合金,即使不含有顆粒,在擠壓后也可能出現(xiàn)明顯的織構(gòu)弱化效果。同樣對(duì)于某些鎂合金而言即使有顆粒的存在,也沒(méi)出現(xiàn)明顯的織構(gòu)弱化現(xiàn)象。另一種觀點(diǎn)是溶質(zhì)拖曳機(jī)制(Solutedrag),JanBOHLEN研究了Mg-Zn-Re鎂合金軋制板材的織構(gòu),發(fā)現(xiàn)在試驗(yàn)中含有稀土元素和Y元素的合金都存在一定程度的織構(gòu)弱化、取向隨機(jī)化的現(xiàn)象,并且認(rèn)為這是由于Y的原子擴(kuò)散速度比較慢,溶質(zhì)拖曳效果能夠強(qiáng)烈地影響晶界的移動(dòng)、晶粒的取向和再結(jié)晶機(jī)制,進(jìn)而影響變形后晶粒的取向。AGNEW等對(duì)比純鎂、Mg-Y和Mg-Li合金變形織構(gòu),發(fā)現(xiàn)添加Y和Li元素的合金雖然在織構(gòu)類型上沒(méi)有變化但是其織構(gòu)強(qiáng)度明顯降低。其原因是Y和Li元素的添加改變了純鎂的晶體結(jié)構(gòu),降低了c/a值,改變了變形過(guò)程中的滑移系,從而降低基面織構(gòu)的強(qiáng)度。值得注意的是,CHINO等研究了Ce元素對(duì)Mg-0.2%Ce合金單向壓縮后織構(gòu)的影響,認(rèn)為在向純鎂當(dāng)中添加0.035%(摩爾分?jǐn)?shù))的Ce元素并不能改變合金的c/a值,Ce元素固溶到鎂基體當(dāng)中不僅僅改變Mg—Ce原子之間的化學(xué)鍵,同樣對(duì)Ce原子周圍的Mg—Mg原子間化學(xué)鍵都有一定的影響,進(jìn)而影響鎂合金在變形過(guò)程中的變形方式,造成非基面織構(gòu)的產(chǎn)生并弱化基面織構(gòu)。關(guān)于稀土元素Y、Ce、Nd等添加后織構(gòu)隨機(jī)化的原因,更多的研究表明,由于稀土元素的添加,改變了稀土元素與Mg原子之間的鍵能以及稀土元素周圍Mg—Mg原子鍵能,并且可能改變基面及非基面的層錯(cuò)能,從而改變基面及非基面滑移系以及孿生開(kāi)動(dòng)的臨界剪切應(yīng)力。從改變鎂合金變形機(jī)理的角度實(shí)現(xiàn)了織構(gòu)弱化的最終效果。而關(guān)于稀土元素添加后層錯(cuò)能變化及非基面滑移等開(kāi)動(dòng)的研究正在進(jìn)行及討論中,可以期待對(duì)鎂合金織構(gòu)隨機(jī)化機(jī)理更深入的認(rèn)識(shí),從而為我們?cè)O(shè)計(jì)高性能鎂合金提供更加有力的理論支持。5鎂合金織構(gòu)的設(shè)計(jì)趨勢(shì)1)鎂合金由于基面滑移和孿生是最容易開(kāi)動(dòng)的變形模式,在變形鎂合金中容易形成擠壓絲織構(gòu)及軋制板織構(gòu)。通過(guò)擠壓工藝及軋制工藝的調(diào)整可以適當(dāng)弱化織構(gòu)的強(qiáng)度,但是織構(gòu)弱化的幅度非常有限。2)通過(guò)引