Toward the development of Mg alloys with simultaneously improved strength and ductility by refining grain size via the deformation process

Zhi Zhang, Jing-huai Zhang, Jun Wang, Ze-hua Li, Jin-shu Xie, Shu-juan Liu, Kai Guan, and Rui-zhi Wu

Int. J. Miner. Metall. Mater., 28(2021), No. 1, pp. 30-45.

https://doi.org/10.1007/s12613-020-2190-1

镁（Mg）合金是目前工程应用中最轻的金属结构材料，其密度约为铝合金的三分之二、钢的四分之一，并且具有比强度高、阻尼性能好、可回收利用等优点，在航空航天、武器装备、汽车、电子产品等领域具有巨大的应用潜力，因此，镁合金被誉为“21世纪的绿色工程材料”。然而，与钢铁和铝合金等传统金属材料相比，普通镁合金存在着绝对工程强度低且室温塑性差等问题，这无疑限制了镁合金在工程领域的广泛应用。目前，轻质镁合金强度和塑性的有效协同提升已成为具有国际挑战性的镁合金科技前沿难题。

近日，哈尔滨工程大学张景怀教授课题组在Int. J. Miner. Metall. Mater.上发表了题为“Toward the development of Mg alloys with simultaneously improved strength and ductility by refining grain size via the deformation process”的综述文章，系统地总结了过去十几年里通过变形细化晶粒实现镁合金强度和塑性协同提高的研究进展。

该文章首先分别介绍了细晶对镁合金强度和塑性的影响规律。根据Hall-Petch关系，在微米和亚微米尺度，细化晶粒可以显著提高镁合金的强度；同时，细化晶粒可以弱化织构，抑制孪晶并有效地激活非基面滑移系统，显著提高镁合金的塑性。另外，该文章综述了通过剧烈塑性变形（SPD）和传统变形工艺细化晶粒协同提高镁合金强度和塑性的研究进展。SPD是一种有效的晶粒细化技术，特别是对于开发超细晶甚至纳米晶镁合金。然而，大多数SPD技术不能用于大尺寸样品的制备，这无疑限制了其规模化的工业应用。传统变形技术（如挤压和轧制）及其改进工艺也被用于制备细晶镁合金，例如，通过低速挤压在AZ31合金中可获得0.65 μm的平均晶粒尺寸，使合金具有优异的综合力学性能(屈服强度：380 MPa, 抗拉强度：430 MPa, 延伸率：13%)。

不同合金的Hall-Petch关系图：(a) Mg–3A–1Zn合金；(b) Mg–3Al–1Zn合金； (c) Mg–3Gd合金。

Mg–3Gd合金不同晶粒尺寸的(a)工程应力应变曲线和(b)位错和孪晶分布直方图

目前关于镁合金材料性能方面的研究较为局限，大多侧重于单一性能提高研究，对于工程应用中的多性能协同要求研究不足，成为了制约新型镁合金材料工程应用的瓶颈问题。该文章针对强度与塑性协调这一传统而又关键的工程材料领域问题，提出了以变形工艺细化晶粒制备兼顾高强度、高塑性镁合金的可行策略，为开发综合性能优越的先进镁合金提供了新思路。