镁科研：往复挤压工艺对工业纯镁进行室温剧烈塑性变形

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论文概述

镁合金由于其密排六方结构，室温变形困难。在室温下采用传统的轧制或挤压等加工方式容易导致镁及其合金开裂失效，而在较高温度下进行加工会导致材料发生回复和动态再结晶，减弱加工硬化效应。往复挤压（CEC）工艺是室温下最有潜力的大塑性变形方法之一，可显著细化晶粒，同时由于静水压力的作用实现材料在大应变下变形不发生破裂。研究表明，AM60镁合金经过4道次的往复挤压后，力学性能提高了四倍。然而，该方法存在临界往复挤压次数（通常是4）和最小晶粒尺寸，超过临界次数后，后续往复挤压变形既没有明显的晶粒细化效果，也没有较大的加工硬化效应。目前对于该过程的了解仍然不够深入。

近日，来自波兰克拉科夫AGH科技大学的B. Sułkowski博士等人通过往复挤压工艺在室温下对商业纯镁进行大塑性变形加工。结果表明，往复挤压工艺将纯镁晶粒尺寸从26 μm显著细化至6.4 μm，压缩屈服强度从42 MPa提升至160 MPa；初始棒材为典型的强挤压织构，经往复挤压后，织构转变为强基面轧制织构，并且织构强度随着往复挤压道次数的增加而减弱。

利用五缸液压机在室温下对直径为10 mm的纯镁挤压棒进行1、2、4道次往复挤压加工，总变形应变分别为0.45、1.3、3.1。往复挤压模具由两个直径相同的挤压筒、两挤压筒内的冲头和一个连接在两个挤压筒之间的直径更小的部分组成，如图1所示，通过两个冲头的周期性反向运动实现材料的大塑性变形。该工艺使试样具备良好的塑性变形条件，可在保持纯镁试样尺寸不变的情况下，实现其组织和力学性能持续变化。

图1 CEC工艺示意图

初始态和不同道次CEC加工后纯镁的微观组织如图2所示。初始态试样的晶粒尺寸为26 μm，经过1、2、4道次CEC后平均晶粒尺寸分别降低至14 μm、13 μm和6.4 μm。

图2 纯镁的显微组织：(a)初始态；(b) (c) (d)1、2、4次CEC

从试样的EBSD图（图3）中可以发现，在初始态纯镁中，晶粒的c轴方向垂直于ED（蓝色和绿色）。经过1道次CEC后，大量晶粒取向改变为接近[0001]（红色），也存在c轴与ED平行的晶粒。经过两次变形后，大多数晶粒的取向与ED平行（红色）。然而，经过4道次CEC后，可以观察到大量的小晶粒在拉长区域内形成，这些拉长区域主要为压缩孪晶。经过4道次变形后，仍然可以观察到部分压缩孪晶（浅蓝色条纹）。

图3 初始态及1、2、4道次CEC变形后纯镁的EBSD图(箭头指孪晶动态再结晶区域)

纯镁的室温加工硬化曲线如图4所示，可以发现在前两次CEC变形之后，试样的硬化效果最明显。试样在1、2、4道次CEC后的压缩屈服强度由初始态的42 MPa分别增加至106 MPa，142 MPa和160 MPa。在经过1道次CEC后，晶粒尺寸从26 μm降低至14 μm，硬度从32 HV增加到40 HV（见表1）。然而，经过4道次CEC后，虽然晶粒尺寸继续减小至6.4 μm，但材料硬度并未进一步增加。这可能是由于在室温变形过程中，孪晶动态再结晶占据主导地位，导致材料发生软化。

图4 (a)CEC后纯镁的加工硬化曲线；(b)屈服强度随往复挤压次数变化

表1 CEC加工纯镁试样的平均晶粒尺寸和力学性能

初始态纯镁的织构主要为强挤压织构，其大多数晶粒的c轴垂直于ED方向（图5a）。经过一道次CEC后，纯镁表现为强基面轧制织构。主要是由于在压缩过程中，变形晶粒发生旋转，使滑移面向压缩方向(ED)移动。在CEC结束后，一部分晶粒呈c轴平行于ED排列，具有硬取向（图5b）。随着CEC道次数的增加，纯镁的织构减弱。在进行2道次和4道次CEC后，在c轴与ED平行的晶粒（图3中红色）中出现了{10-11}压缩孪晶（图3中浅蓝色）。由于晶粒的c轴相对于ED倾斜了60°，因此容易发生滑移变形，在具有硬取向晶粒的镁中主导变形过程。压缩孪晶通过孪晶动态再结晶过程形成新的具有随机取向的晶粒，这些新形成的晶粒位错密度较低，取向比原始晶粒更容易发生基面滑移。因此，4道次CEC后的显微组织虽比1道次后更细，但并没有观察到明显的硬化效果。这对于我们通过大塑性变形制备镁合金具有一定指导意义。

图5 {0002}和{10-10}极图

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