西北工业大学&重庆大学镁合金顶刊：累积挤压焊接高强韧AZ31镁合金！

2021-08-26 10:33:30 作者：材料学网来源：材料学网分享至：

导读：本文对具有异质双峰晶粒结构的 AZ31 镁合金（较小的晶粒尺寸为 5–20 ?m，较粗的晶粒尺寸为 100–200 ?m）在 250 ℃下进行累积挤压结合（AEB）并结合两阶段人工冷却，即局部水冷和人工冷却。该组织由于累积挤压结合样品的不连续动态再结晶（DDRX）而连续发展。{10-12} 拉伸孪晶也对 AEB 发挥了重要作用，在容器的初始挤压阶段局部水冷。与没有水冷的情况相比，局部水冷可以进一步将 DRXed 晶粒尺寸减小到 ~ 2.1 ?m。并通过挤出模具的人工冷却降低了晶粒生长速度。在两段冷却相结合的情况下，板材出挤压模后，细小DRXed晶粒几乎得以保留，平均晶粒尺寸为~2.3 ?m，同时还保留了具有高残余位错密度积累的未动态再结晶晶粒。拉伸试验结果表明，该材料具有良好的强度-塑性平衡，极限拉伸强度（319 MPa vs. 412 MPa）和断裂伸长率（19.9% vs. 30.3%）较高。强度的提高主要是由于晶粒细化和人工冷却保留的局部残余塑性应变。优良的延性源于精细的DRXed组织和ed倾斜双峰织构。

为了满足日益增长的汽车重量和减少CO2排放的需求，轻质金属备受关注。镁合金作为最轻的市售结构金属材料，近年来引起了广泛的研究兴趣，尤其是力学性能优于铸造镁合金的锻造镁合金。然而，该合金仅应用于少数领域，这主要是由于其强度低、塑性和室温成形性差。因此，为了扩大应用范围，近年来通过添加稀土（RE）元素、细化晶粒等多种方法在强度和延展性的提高方面进行了大量努力。

在镁合金中微合金化或复合添加稀土元素，如 Gd, Yb , Y, Ce, Sm是提高强度和延展性的有效方法。例如，Wang 等人研究了微量 Gd 添加对 Mg-4Zn 合金力学性能的影响，发现 0.5% Gd 可以将屈服强度提高到 286 MPa，良好的伸长率为 15.3%。李等人报道 Yb 溶液促进了完全再结晶的超细晶显微组织和倾斜的弱织构成分的形成，导致强度-塑性平衡与约 393 MPa 的UTS 和约19.1% 的 EL。吕等人通过铸造和挤压研究了 Y 和 Sm 添加对镁合金的综合影响。拉伸试验结果表明，Mg-7Y-5Sm-0.5Zn-0.3Zr合金的屈服强度为250 MPa，断裂伸长率为18.5%，优于商业基准AZ系列合金。然而，昂贵的稀土元素添加会增加镁合金的制造成本，限制其广泛的工业应用。因此，实现高强度、保持良好的延展性和降低制造成本将是扩大镁合金应用的关键目标。

晶粒细化被证明是以低制造成本提高镁合金综合性能的最有前途的方法。正如 Sun 等人报道的那样。Mg-10.6Gd-2Ag （wt. %）合金通过等通道角挤压（ECAP）表现出 317 MPa 的高屈服强度和 22.6% 的优异伸长率，这源于精细和完整的 DRX 显微组织（平均晶粒尺寸减小到 ~ 1.7 ?m）。而晶粒细化技术（如剧烈塑性变形）， SPD）通常处于实验室规模，不适合工业生产。因此，迫切需要寻找工业规模化连续制造大块超细晶粒镁合金的新技术。

我们之前的研究表明，累积挤压结合（AEB）可以有效地细化 AZ31 合金板材的微观结构，在 150 至 250 ℃的温度下具有良好的界面结合质量和无边缘裂纹根据微观结构演变研究，发现在定径带处获得了最细的动态再结晶（DRXed）晶粒。而由于模具出口附近实际温度较高，板材出挤压模后晶粒明显长大，削弱了晶粒细化效果。因此，还需要通过优化基于 AEB 的加载路径来进一步细化晶粒。

在这项工作中，西北工业大学联合重庆大学等高校尝试了两阶段冷却以减少 AEB 过程中的晶粒生长，包括通过在定径带处局部水冷降低 DRXed 晶粒尺寸和通过人工冷却从挤压模具中降低晶粒生长速率。与原样相比，250 ℃具有精细微观结构和ED倾斜双峰织构的样品的UTS增加了376 MPa，断后伸长率增加了30.1%；伴随两种冷却方式的AEB加工样品的UTS持续增加，导致WAC-250℃样品具有优异的强度和延展性平衡；此外，YS 也从 171 MPa 增加到 192 MPa，这主要是由于晶粒细化和内部残余应变。相关研究成果以题“Strength-ductility balance of AZ31 magnesium alloy via accumulated extrusion bonding combined with two-stage artificial cooling”发表在镁合金顶刊Journal of Magnesium and Alloys上。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2213956721001717

在初始阶段，{10-12} 拉伸孪晶和 DDRX 被激活并主导变形。随着变形的继续，粗大的原始晶粒逐渐转变为细小的DRXed晶粒。片材出模后，观察到c轴偏向ED和生长的晶粒。局部水冷可以有效地将锥模和定径带的DRXed晶粒尺寸减小到2.1 ?m；人工冷却有利于热量的快速扩散，抑制挤压模外晶粒长大；两种冷却工艺的结合可以保留平均晶粒尺寸为 2.3 ?m 的细晶粒显微组织，并且残余应变也保留在未 DRX 晶粒中。