Al，Zn对挤压Mg-1Mn合金晶粒组织和塑性变形机制的影响

宋锴，彭鹏，宋泽，汤爱涛，佘加，周世博，潘复生

Al，Zn对挤压Mg-1Mn合金晶粒组织和塑性变形机制的影响

宋锴1，彭鹏2，宋泽3，汤爱涛3，佘加3，周世博3，潘复生3

（1. 中国核动力研究设计院，成都 610213；2. 重庆科技学院 冶金与材料工程学院，重庆 401331；3. 重庆大学 材料科学与工程学院，重庆 400044）

探索镁合金中常用合金化元素Al，Zn对挤压Mg-1Mn合金的晶粒组织和力学性能的影响，为含Mn合金的成分设计及商业化应用提供理论支撑。在280 ℃下，对Mg-1Mn，Mg-1Mn-1Al和Mg-1Mn-2Zn合金进行热挤压，制备镁合金棒材，采用拉伸测试分析力学性能，利用电子背散射衍射技术观察晶粒组织，并通过粘塑性自洽模型研究塑性变形机制。在3种合金中，Mg-1Mn-1Al的晶粒最为细小，平均晶粒尺寸为1.3 μm，屈服强度、抗拉强度和断裂伸长率分别为309 MPa，313 MPa和19.5%。在Mg-1Mn合金中，与Zn相比，较低含量的Al具有更好的再结晶晶粒细化效果。Al，Zn的添加能够有效抑制基面<>滑移，促进非基面滑移的开启。

镁合金；挤压；晶粒组织；力学性能

在国家“碳减排，碳达峰”的双碳政策导向下，镁合金作为较轻的金属结构材料，在节能减排、绿色制造等领域具有极好的应用前景，被誉为“21世纪绿色工程材料”[1—3]。由于镁合金为密排六方晶体结构，室温下基面滑移系的临界剪切应力远低于非基面滑移系的临界剪切应力，可动滑移系较少，因此，塑性变形能力较差，实际应用仍受限制。添加合金化元素是一种有效改善金属材料组织和性能的方式[4—6]。目前，镁合金体系主要有Mg-Al系、Mg-Zn系、Mg-Mn系、Mg-Sn系以及Mg-Ca系等。

近年来，Mg-Mn系合金在变形镁合金领域受到了较多关注，主要有以下原因：Mn的添加能够净化熔体，降低杂质含量，提高基体纯净度[7]；Mn在Mg中具有一定的固溶度，潘复生院士提出了“固溶强化增塑”理论[8]；Mn能够同时提高基面滑移和非基面滑移的临界剪切应力，具有激活非基面滑移的潜力；添加Mn后，形成的第二相-Mn颗粒在热变形过程中能够促进形核，同时动态析出的-Mn颗粒能够钉扎晶界，进而有效促进晶粒细化[9]。目前，研发的Mg-Mn二元合金强度较低，与实际应用还有一定距离，因此，开发多元体系的含Mn镁合金，进一步提高其力学性能，以促进含Mn镁合金的发展。

在含Mn镁合金的开发研究中，主要有2个方向：不含稀土的低成本镁合金开发，以添加Al，Zn，Ca，Sn等合金化元素为主；高稀土高强镁合金的开发，以添加高含量的Gd，Y为主，再辅以Zn形成长周期强化相。在不含稀土的低成本镁合金研究中，以东北大学潘虎成等[5]研发的Mg-Ca-Mn挤压合金为代表，其屈服强度达到了425 MPa，断裂伸长率达到了11%。此外，还研发了Mg-Al-Mn[10]，Mg-Zn-Mn[11]，Mg-Sn-Mn[12]，Mg-Sr-Mn[13]等含Mn镁合金。在高稀土高强镁合金的研究中，具有代表性的是重庆大学王敬丰等[14]研发的Mg-Gd-Y-Zn-Mn超高强镁合金，该合金的强度高达538 MPa，断裂伸长率达到了13.1%。上述研究均表明，含Mn系变形镁合金具有良好的综合力学性能。

基于低成本镁合金有利于实现量大面广的实际应用，文中聚焦于非稀土低成本镁合金的研发，尤其是镁合金中常用的合金化元素Al和Zn。通过添加Al和Zn改善含Mn镁合金的组织和性能，已有一定的研究基础，如喻正文[15]、马仕达[16]研究了Al对Mg-1Mn合金组织和性能的影响，其中Mg-1Al-1Mn合金表现出良好的力学性能，比Al含量更高的合金性能更佳，其屈服强度达到了250 MPa，断裂伸长率达到了21.4%；She等[17]研究了Zn对Mg-1Mn合金组织和性能的影响，其中Mg-2Zn-2Mn合金表现出良好的强度和塑性，抗拉强度达到了315 MPa，断裂伸长率达到了24%。综上所述，Al和Zn的添加均取得了较好效果。目前，关于Al或Zn对Mg-Mn合金组织和性能影响的研究均是单独开展的，Al和Zn的对比研究鲜有报道，且合金体系以及制备工艺不同，在横向对比时，参考意义有限。综上所述，文中拟基于Mg-1Al-1Mn合金和Mg-2Zn-1Mn合金开展研究，这2种合金的合金化元素含量较低，成本较低，具有广阔的商业应用前景。

1 实验

1.1 材料制备

采用高纯镁（纯度>99.99%）、高纯铝（纯度> 99.99%）、高纯锌（纯度>99.99%）与Mg-Mn中间合金（Mn质量分数约为3%）进行熔炼，制备Mg-1Mn（M1），Mg-2Zn-1Mn（ZM21）和Mg-1Al-1Mn（AM11）合金铸锭。熔炼气氛为CO2+SF6混合气体，CO2与SF6的体积比为99∶1。使用X射线荧光光谱仪分析合金成分，如表1所示。将熔炼所得铸锭机械加工成80 mm×100 mm（高）的圆柱状坯料，将坯料在280 ℃下预热1.5 h后，挤压制备成16 mm的棒材，挤压比为25，挤压加工率为96%，挤压速度为1 m/min。

表1 M1，ZM21和AM11合金的化学成分（质量分数）

Tab.1 Chemical compositions of the M1, ZM21 and AM11 alloys (mass fraction) %

1.2 显微组织表征

采用电子背散射衍射（Electron backscattered diffraction，EBSD）技术对挤压态合金的晶粒组织进行表征，利用配有EBSD探头的场发射扫描电镜（JEOL JSM-7800F）获取EBSD数据，扫描步长为0.3 μm。EBSD样品通过机械抛光至表面无明显划痕，使用AC2溶液进行电解抛光。AC2溶液由800 mL乙醇、100 mL异丙醇、18.5 mL蒸馏水、10 g八羟基喹啉、75 g一水合柠檬酸、41.5 g硫酸氢钠和15 mL高氯酸配制而成。通过Chanel 5软件对晶粒取向进行分析。

1.3 力学性能测试

使用万能材料试验机（CMT 5105）测试挤压态合金的力学性能，拉伸试样标距为25 mm，横截面的长×宽为6 mm×3 mm，样品用线切割加工，测试应变速率为1×10−3s−1，每种合金测试3个平行样品，以确保重复率。

1.4 粘塑性自洽模型模拟

通过对真应力-应变曲线进行拟合，分析3种合金变形过程中变形机制的变化。

2 结果与分析

挤压后M1，ZM21和AM11合金的反极图如图1所示。由图1可知，3个合金均表现出不同的晶粒组织。其中，M1合金以等轴状的动态再结晶晶粒为主，平均晶粒尺寸为3.2 μm。ZM21合金在挤压后展现出典型的混晶组织特征，晶粒组织由等轴晶和拉长的变形晶粒构成，平均晶粒尺寸为1.7 μm。虽然，AM11合金的晶粒组织与ZM21一致，但AM11的等轴晶更细小，平均晶粒尺寸为1.3 μm。可以看出，与M1合金相比，ZM21和AM11合金的晶粒尺寸均得到明显细化。同时，当Al的质量分数为1%时，晶粒的细化效果更佳。

晶粒组织和尺寸的变化与变形过程中的再结晶行为有关，前期关于AM11合金的研究表明[10]，Al与Mn会形成大量的第二相，这些第二相一部分为微米级，一部分为纳米级。由粒子促进形核（Particle stimulated nucleation，PSN）理论可知[19]，当第二相的尺寸大于1 μm时，能够促进再结晶形核，有利于细化晶粒；当第二相粒子为纳米级时，能够有效钉扎再结晶晶界，降低晶界迁移速率，进而有效细化晶粒[20]。对ZM21合金而言，Zn以固溶原子的形式存在，固溶的Zn原子既不能产生PSN效应，也没有钉扎效应，因此，ZM21的晶粒要粗于AM11合金。Zn固溶在Mg基体中，能够有效降低熔点，由再结晶温度公式（再结晶≈0.5熔点）可知，Zn的固溶能够降低再结晶温度，进而促进再结晶，因此，ZM21合金的晶粒尺寸比M1合金更细。综上所述，在PSN效应和钉扎效应的共同作用下，AM11合金的平均晶粒尺寸最细小。

图1 M1，ZM21和AM11合金的EBSD结果

M1，ZM21和AM11合金的工程应力-应变曲线如图3所示。与曲线对应的力学性能统计值见表2。M1合金表现出了高塑性，屈服强度、抗拉强度和断裂伸长率分别为220 MPa，230 MPa和39.3%。加入Zn后，合金强度提升、塑性下降（ZM21），ZM21合金的屈服强度、抗拉强度和断裂伸长率分别为260 MPa，289 MPa和22.3%。在3种合金中，AM11合金强度最高、塑性最低，其屈服强度、抗拉强度和断裂伸长率分别为309 MPa，313 MPa和19.5%。结果表明，Al和Zn的加入虽然均能提高Mg-1Mn的强度，但会牺牲一定的塑性，这表明合金化元素的加入对塑性变形机制产生了一定影响。

图2 M1，ZM21和AM11合金的极图

图3 M1，ZM21和AM11合金的工程应力-应变曲线

表2 M1，ZM21和AM11合金的力学性能

Tab.2 Mechanical properties of the M1, ZM21 and AM11 alloys

为分析添加了Al，Zn对塑性变形机制的影响，将工程应力-工程应变曲线转化为真应力-真应变曲线，如图4a所示。根据式（2）（加工硬化率的定义式）绘制了加工硬化曲线，如图4b所示。随着应变的增加，3个合金的加工硬化率均呈降低趋势，且在塑性应变为0.6～0.15时，加工硬化率由高到低依次为ZM21，AM11，M1。较高的加工硬化率意味着较高的位错累积能力，说明在ZM21合金中，固溶的Zn能够产生良好的固溶强化效果，有效阻碍了塑性变形过程中的位错迁移，进而有效提升了材料的加工硬化率。AM11合金具有更加细小的晶粒，这使位错塞积在晶粒内变得更加困难，因此，加工硬化率比ZM21合金更低。与AM11和ZM21合金相比，M1合金的第二相粒子和固溶元素均较少，对位错运动的阻碍作用较弱，因此，M1合金的加工硬化率较低。

式中：θ为加工硬化率；σ为应力；ε为应变。

综上所述，在Mg-1Mn合金中添加的Zn和Al对合金的晶粒组织和变形机制有显著影响，Zn和Al对变形态的Mg-1Mn合金均有良好的晶粒细化效果，有利于提高合金强度。同时，Zn和Al的添加改善了变形机制，可抑制塑性变形过程中的基面<>滑移，有利于促进非基面滑移的开启，可协调变形。

表3 M1，ZM21和AM11合金的粘塑性自洽模型模拟参数

Tab.3 Simulation parameters of the visco-plastic self-consistent model in M1, ZM21 and AM11 alloys

图5 粘塑性自洽模型模拟结果

3 结语

研究了镁合金中常用合金化元素Zn和Al对Mg-1Mn挤压镁合金的晶粒组织和塑性变形机制的影响，得到以下结论。

1）Zn和Al可明显细化Mg-1Mn挤压镁合金的晶粒，ZM21合金的平均晶粒尺寸为1.7 μm，AM11合金的平均晶粒尺寸为1.3 μm。

2）AM11合金具有较高的强度和良好的塑性，其屈服强度、抗拉强度和断裂伸长率分别为309 MPa，313 MPa和19.5%。

3）Zn和Al能够有效抑制Mg-1Mn合金中的基面<>滑移，并促进非基面滑移的开启，在保持强度提高的同时，还具有良好的塑性变形能力。

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Effects of Al, Zn on the Grain Structure and Plastic Deformation Mechanism of As-Extruded Mg-1Mn Alloy

SONG Kai1, PENG Peng2, SONG Ze3, TANG Ai-tao3, SHE Jia3, ZHOU Shi-bo3, PAN Fu-sheng3

(1. Nuclear Power Institute of China, Chengdu 610213, China; 2. School of Metallurgy and Materials Engineering, Chongqing University of Science and Technology, Chongqing 401331, China; 3. College of Materials Science and Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China)

Effects of the alloying elements Al and Zn in magnesium alloys on grain structure and mechanical properties of extruded Mg-1Mn alloy were investigated in this study. It was beneficial to provide theoretical support for composition design and commercial application of Mn-containing alloys. The Mg-1Mn, Mg-1Mn-1Al and Mg-1Mn-2Zn alloys were hot extruded to prepare magnesium alloy rods at 280 ℃. The mechanical properties were analyzed by tensile test. The grain structure was studied by electron backscatter diffraction. The plastic deformation mechanism was studied by the visco-plastic self-consistent model. Among the three alloys, Mg-1Mn-1Al alloy exhibited the finest grains. The average grain size was refined to 1.3 μm. The tensile yield stress, ultimate tensile stress and fracture elongation are 309 MPa, 313 MPa and 19.5%, respectively. In the Mg-1Mn alloy, the effect of grain refinement of Al element was better than Zn element at lower content. The addition of Al and Zn effectively inhibited the basal <> slip and promoted the activating of non-base plane slip.KEY WORDS: Mg alloy; extrusion; grain structure; mechanical properties

10.3969/j.issn.1674-6457.2021.04.015

TG379

A

1674-6457(2021)04-0109-06

2021-06-02

重庆科技学院科研基金（ckrc2020016）；国家自然科学基金（51971042，51901028）；重庆市教育委员会科学技术研究计划青年项目（KJ201903136636560）

宋锴（1987—），男，博士，工程师，主要研究方向为先进轻合金材料。

彭鹏（1990—），男，博士，讲师，主要研究方向为先进轻合金材料。