织构对搅拌摩擦加工镁合金力学性能的影响研究现状

杨晓康1，王　文2，王快社2，高　雪2，赵　凯2，郭红举2

(1. 西部钛业有限责任公司，陕西 西安 710201)(2.西安建筑科技大学冶金工程学院，陕西 西安 710055)



织构对搅拌摩擦加工镁合金力学性能的影响研究现状

杨晓康1，王文2，王快社2，高雪2，赵凯2，郭红举2

(1. 西部钛业有限责任公司，陕西 西安 710201)(2.西安建筑科技大学冶金工程学院，陕西 西安 710055)

杨晓康

摘要：镁及镁合金的力学性能主要影响因素包括晶粒尺寸、织构和第二相，其中，织构对镁及镁合金的力学行为影响较为复杂。搅拌摩擦加工(Friction Stir Processing, FSP)后的镁及镁合金织构变化复杂，因此对搅拌摩擦加工过程中镁及镁合金织构演变规律的研究具有重要意义。在介绍镁及镁合金形变系统的基础上，综述了镁及镁合金板材在搅拌摩擦加工过程中的织构演化规律及形成机理，织构的演化与材料所受应力状态和流动状态有关。分析了织构对室温拉伸性能的影响，出现各向异性现象，其实质是织构的软化和硬化效应；织构对超塑性行为的影响，织构对镁及镁合金塑性变形机理的影响。最后探讨了FSP镁及镁合金未来需深入研究的方向。

关键词：搅拌摩擦加工；镁合金；织构；力学性能

1前言

镁及镁合金作为最轻的金属结构材料，具有比强度和比刚度高、阻尼性和减震性好、电磁屏蔽和抗辐射能力强、机加工性能优良等一系列优点，在汽车和3C领域具有重要的应用价值和广泛的应用前景，具有替代钢和铝的潜力[1-2]。但镁及镁合金室温成型性和塑性较差，限制其广泛应用。Mishra等[3]在搅拌摩擦焊接技术的基础上提出了搅拌摩擦加工(FrictionStirProcessing,FSP)技术，FSP的工作原理比较简单：一个由搅拌针和轴肩组成的加工工具高速旋转使搅拌针插入工件，当轴肩与工件表面接触后，工具沿预定方向运行，使材料产生剧烈塑性变形，加之工具与工件间的摩擦热，使加工区域材料发生动态再结晶，形成等轴细晶结构。细化晶粒是提高镁及镁合金强塑性的有效方法之一[4]。研究表明，镁及镁合金的屈服强度随晶粒细化提高不明显或者甚至降低[5-9]。这主要是因为具有织构的多晶镁及镁合金，其力学性能受晶粒尺寸和晶粒取向分布的综合影响。

本文介绍了镁合金的形变系统和镁合金在搅拌摩擦加工过程中的织构演化规律，并综述了织构对搅拌摩擦加工镁合金力学性能的影响。

2镁及镁合金的形变系统

镁及镁合金为密排六方晶体结构，滑移系的数目较少，轴比为1.624，密排面为{0001}，密排方向为<11-20>。镁及镁合金的塑性变形主要是通过位错滑移与孪生来实现的。

位错滑移是镁及镁合金的重要变形机制，镁及镁合金的常见滑移系有a滑移和c+a滑移，如图1所示。在常温条件下变形，滑移系开动的临界剪切应力(CRSS)在各自滑移系上的差异非常显著，基面滑移系的CRSS值最低,约为0.6～0.7MPa，柱面及锥面滑移系的CRSS约为基面滑移系的70倍。随着变形温度的升高，非基面滑移系的CRSS逐渐减小，非基面滑移的趋势增加，当温度达到600K以上时，基面和非基面滑移系的CRSS值接近。XIN等[10]证明，当温度达到625K时，基面滑移和非基面滑移可以同时启动。

图1　镁及镁合金中常见的滑移系统[11]Fig.1　Common slip systems in magnesium alloys [11]

除了位错滑移，在镁及镁合金中，孪生是一种重要的晶内塑性变形机制。只有当变形温度很低、应变速率极高或在变形后期位错堆积使滑移受阻时，孪生才能成为其塑性变形的主要机制[12]。镁及镁合金中有{10-12}拉伸孪生、{10-11}压缩孪生，以及{11-22}、{11-21}等晶面的孪生。其中，{10-12}拉伸孪生变形的临界驱动力最低。通常镁及镁合金中最容易发生变形的方式为基面a滑移及{10-12}孪生变形，这也是镁及镁合金中形成强织构的主要原因。因为变形模式的单一化增强了晶粒取向与外加应力场的依赖性。镁及镁合金变形过程中，如果其他非基面滑移增加，以及其他孪生方式增加，而不是较单一的基面位错滑移和{10-12}孪生，镁及镁合金的织构则会随之弱化[13]。

3镁及镁合金FSP织构的演化规律

密排六方结构镁及镁合金的对称性较低，在加工过程中较易形成变形织构，形成的织构对其性能有很大影响，因此，研究织构演化规律至关重要。

与搅拌摩擦焊接头类似，整个搅拌摩擦加工区分为轴肩影响区(ShoulderFrictionZone，SFZ)、搅拌区(StirZone，SZ)、热机械影响区(ThermalMechanicalAffectedZone，TMAZ)、热影响区(HeatAffectedZone，HAZ)和母材(BaseMaterial，BM)(图2)。镁及镁合金FSP区域织构分布及演变较复杂，在不同区域形成不同的织构[7, 14]。ParkSHC等[14]最早发现加工区域基面(0001)织构沿搅拌针呈圆柱面分布，在后续的研究中，WooW[5,7]、李波等[15]发现了类似的织构分布，其分布分别见图3和图4。SZ织构演化与材料应力状态和流动状态有关[23]。FSP镁及镁合金加工区域上部材料在轴肩旋转作用下产生的压应力使剪切面与加工件表面平行[14, 18]，下部材料在搅拌针的剪切作用下流动，使材料沿搅拌针圆柱面发生剪切变形[17]。

图2　搅拌摩擦加工AZ31镁合金的横截面宏观照片[15]Fig.2　Cross-sectional macrophotograph of AZ31magnesium alloy after FSP[15]

图3　镁及镁合金FSP加工区域织构分布示意图[5, 7]Fig.3　Schematic diagram of basal plane tracing from the base material, transition region, to stir zone on the advancing side of the FSP Mg plate[5, 7]

图4　FSP AZ31镁合金加工区域不同区域(0002)极图[15]Fig.4　(0002) pole figures of different regions of AZ31 magnesium alloy after FSP[15]

YuanW等[16]主要研究了FSP镁及镁合金SZ不同厚度处的织构演变规律(图5)。在距加工上表面0～0.5mm处，织构演变是由轴肩和搅拌针协同作用产生，轴肩的压应力和水平剪切应力使晶粒的c轴与加工件表面垂直，搅拌针剪切作用使晶粒的c轴与加工件表面平行；随深度的增加，轴肩剪切作用消失，搅拌针的剪切应力起主导作用，通过剪切变形主导织构变化；在1.5mm处，搅拌针的剪切作用使基面织构c轴与FSP加工方向(ProcessingDirection,PD)平行。

图5　FSP AZ31镁合金SZ区不同位置的(0002)、(10-10)极图[16]Fig.5　(0002) and (10-10) pole figures of FSPed AZ31 at various locations within the weld nugget[16]

4镁及镁合金织构对力学性能的影响

4.1织构对室温拉伸性能的影响

对于不可热处理强化镁合金，晶粒尺寸和晶粒取向是影响镁及镁合金室温力学性能的主要因素，当织构软化或硬化对强度的贡献大于晶粒细化对强度的贡献时，FSP镁及镁合金的SZ屈服强度出现各向异性或晶粒尺寸和屈服强度关系不能满足经典的Hall-Petch方程[5-6, 8, 19-21]，出现低k值。

WangYN等[5]拟合了AZ31镁及镁合金热挤压和FSP试样的Hall-Petch方程，沿PD方向发现低的摩擦应力σ0和应力集中因子k值。YuanW等[6]的研究工作中沿PD方向的拉伸结果与文献[5]一致，具有较低的σ0和k值(图6)，这是因为经过FSP后的基面织构c轴沿加工件的法向ND向PD方向发生转动，Schmid因子为0.3，处于软取向。

图6　沿PD和TD方向晶粒尺寸和屈服强度的关系及晶粒尺寸对应的极图[6]Fig.6　The variations of 0.2% yield stress against grain size-1/2 for FSP AZ31 tested in PD and TD along with previous data, and insets are representative basal pole figures with pole intensities for three average grain sizes[6]

WooW等[7]研究了FSP镁及镁合金加工区域(0002)基面织构分布情况及其对拉伸行为的影响。结果表明，在FSP过程中剪切变形条件下，基面织构发生转动且重排，织构强度弱化，在PD方向Schmid因子较大，基面织构易滑移，SZ的抗拉强度为200MPa,低于母材的抗拉强度250MPa。王赛香等[14]在FSP镁及镁合金加工区域发现同样的现象。关于此现象，在等通道转角挤压(EqualChannelAngularPressing,ECAP)变形的AZ61、AZ31合金研究中也有类似的情况。在ECAPAZ61的研究中发现，随着挤压道次的增加，晶粒尺寸减小，伸长率明显增大，但合金的屈服强度却降低，认为其主要原因是镁及镁合金经ECAP变形后晶界和织构的影响大于细晶强化的贡献[19-20]。同时也认为对于镁及镁合金，特别是对于不可热处理强化镁合金而言，当晶粒细化到一定程度后，合金的变形行为发生了明显的改变，传统的细晶强化对细晶镁合金性能影响不显著[21]。可见，镁及镁合金的力学性能并不单纯遵守Hall-Petch关系，这是因为多晶镁及镁合金材料的力学性能同时受到晶粒尺寸和晶体学织构等因素的影响。

4.2织构对超塑性行为的影响

织构对超塑性的影响比对室温的力学性能的影响弱，在该方面开展的针对性研究较少，多数研究者认为镁及镁合金超塑性变形机理倾向于以晶界滑移 (GrainBoundarySliding，GBS)为主的多机制叠加理论[22]，目前织构对超塑性的影响还存在争论。

Panicker等[23]对AM60镁及镁合金做了研究，发现织构对超塑性无影响，而Kaibyshev[24]和Lin等[25]的实验表明，MA15和AZ31镁及镁合金中织构对流变应力和超塑性的延伸率都有影响，但这也有可能是晶粒形状、尺寸和分布以及晶界结构所致。YangQ等[26]制备出晶粒尺寸相同且呈等轴、均匀分布的试样，研究了织构对FSPZK60镁及镁合金超塑性行为的影响。结果表明，当超塑性变形温度高于225 ℃时，织构强度明显弱化。因此，织构对FSPZK60镁及镁合金超塑性变形过程中流变应力的影响较小。

4.3织构对镁及镁合金塑性变形机理的影响

镁及镁合金FSP加工后SZ半椭圆形的织构分布表明SZ晶粒的c轴从边部到中心再到边部与拉伸方向呈～10°到90°然后再到～10°的分布形态。镁及镁合金拉伸过程中的塑性变形机理可用图7总结，给出了镁及镁合金室温拉伸时晶粒各种取向与滑移和孪生的理论临界剪切应力/施密特因子(CRSS/m)的关系[9]。当晶粒c轴与拉伸方向角度为0°～36°时，孪生的比值最小，容易启动；当晶粒c轴与拉伸方向角度为36°～75°时，基面滑移的比值最小，容易启动；当晶粒c轴与拉伸方向角度为75°～90°时，棱柱面滑移的比值最小，容易启动。同时，随着角度的增大，理论CRSS/m也越来越大。

图7　理论CRSS/m与拉伸应力方向和晶粒c轴夹角的关系[9]Fig.7　Prediction of the values for CRSS/m as a function of the inclination of the c-axis to the direction for tension[9]

5结语

FSP技术的开发和应用才刚刚开始，具有广阔的应用前景。目前，对于镁及镁合金FSP研究还不够深入，可以从以下几个方面进行深入研究：①镁及镁合金的力学性能影响因素主要包括晶粒尺寸、织构和第二相，通过实验手段分离这些主要因素，定量阐明单因素对力学性能的影响；②由于变形镁及镁合金的各向异性限制其广泛应用，开展稀土镁合金FSP研究，实现明显弱化或随机化织构，以期改善镁及镁合金各向异性，提高合金强韧性；③深入研究织构对镁合金超塑性行为的影响，织构弱化的因素及织构的弱化速度，研究织构和GBS的关系、织构和GBS协同作用对超塑性的影响等。

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(编辑惠琼)

第一作者：杨晓康，男，1982年生，博士研究生，Email:yangxiaokang2000@163.com

ResearchStatusonEffectofTextureontheMechanicalPropertiesofFrictionStirProcessedMagnesiumAlloy

YANGXiaokang1, WANG Wen2, WANG Kuaishe2, GAO Xue2,

ZHAOKai2, GUO Hongju2

(1.WesternTitaniumTechnologiesCo.,Ltd.,Xi’an710201,China)

(2.CollegeofMetallurgyEngineering,Xi’anUniversityofArchitectureandTechnology,Xi’an710055,China)

Abstract：Main factors affecting the mechanical properties of magnesium and magnesium alloys include grain size, texture and the second phase, among which the effect of the texture is more complicated. The evolution of texture of magnesium alloy is complex during friction stir processing (FSP), so related study on the deformation system and texture evolution of magnesium alloy is of great significance in friction stir processing. Based on the introduction of deformation system of magnesium alloy, texture evolution regulation and mechanism of friction stir processed magnesium alloy are summarized, the evolution of texture is related to the stress state and flow state of the material. Then the effect of texture on the tensile properties of the room temperature, the superplastic behavior and the plastic deformation mechanism of magnesium and magnesium alloy are analyzed in detail. Finally, the further research directions for FSP magnesium and magnesium alloy are discussed.

Key words：friction stir processing; magnesium alloy; texture; mechanical properties

中图分类号：TG146.2+2

文献标识码：A

文章编号：1674-3962(2015)06-0482-05

DOI:10.7502/j.issn.1674-3962.2015.06.10

基金项目：国家自然科学 (51404180，51274161)；西安建筑科技大学青年科技基金(QN1303)

收稿日期：2015-04-25