随着汽车轻量化进程的不断推进和节能环保要求的日益提高，开发无稀土元素(RE-free)的低成本高性能镁合金越来越受到广泛关注。近年来，在Mg-Zn、Mg-Al、Mg-Sn和Mg-Ca基合金中，通过晶粒细化、析出增强和织构改性等手段，开发了具有优良力学性能的无稀土镁合金。特别是Mg-Bi合金体系具有良好的沉淀强化潜力和较低的合金化成本，已成为极具吸引力的新型无稀土镁合金。Bi在Mg中具有显著晶粒细化效果，低温挤压Mg-Bi基合金因产生的超细晶而在室温下表现出超塑性。本文系统研究了Bi含量对挤压态Mg-Bi二元合金力学性能及应变硬化特性的影响，这些探索有望为开发高性能、低成本的镁铋基合金提供重要的支撑。

目前，基于我国在原镁和铋矿的资源优势，河北工业大学余晖课题组、韩国材料研究院B. S. You课题组和韩国国立首尔大学K. S. Shin课题组采用重力铸造、挤压成形制备了Mg-xBi（x=2, 5, 8wt%）二元合金。研究结果表明，挤压态B5和B8合金的TYS均为~200MPa，高于Mg-6Sn（191MPa）合金，远高于Mg-4Zn（89MPa）合金；EL均超过15%，表现出优异的综合力学性能。表明Mg-Bi基合金在开发高性能变形镁合金方面具有巨大潜力。

本文首先研究了Bi添加对合金的显微组织的影响，图1为挤压态Mg和Mg-Bi二元合金的光学与扫描电镜图。所有挤压态样品均呈现完全动态再结晶(DRXed)组织，与均质态样品相比，晶粒明显细化。不同Bi含量挤压态样品的显微组织也存在明显差异。首先，随Bi含量增加，晶粒不断细化；挤压态B2和B8试样中发现少量微尺度的Mg₃Bi₂颗粒和大量Mg₃Bi₂破碎条带。这些微米级Mg₃Bi₂颗粒源于均质样品中未溶解的Mg₃Bi₂颗粒。此外，纳米级颗粒在挤压过程中发生了动态沉淀。

图1 (a-c) B2、(d-f) B5、(g-i) B8合金和(j, k)纯Mg挤压态的显微组织; (l) 不同Bi含量挤压态样品的AGS

TEM表征进一步揭示了挤压态Mg-Bi样品的动态析出行为，如图2所示。TEM明场像发现粒径多在50~200 nm的球状颗粒均沿GBs和颗粒内部分布，通过衍射斑点标定确定该类纳米颗粒为Mg₃Bi₂相。对Mg-Bi二元合金而言，高温下Bi在Mg中的溶解较多，而其在300℃以下几乎无固溶度。挤压过程中，塑性变形引起的位错缠结可作为Mg₃Bi₂析出的非均质形核点，加速析出动力学，促进了Bi过饱和α-Mg基体中Mg₃Bi₂相的析出。

图2 (a) B2、(b) B5和(c) B8合金挤压态的TEM图像，(d) (c)中析出相的选定区域衍射图

采用EBSD评价了不同Bi添加量下挤压态样品的织构演变，如图3所示。挤压态Mg、B2、B5和B8镁合金的AGS分别为24.1 μm、7.2 μm、3.5 μm和2.7 μm，与前述SEM观察结果吻合较好。所有样品均表现出与ED平行的{0001}平面和[21-1-0]或[101-0]方向的基面纤维织构，这种织构普遍存在于挤压镁合金中。此外，随着Bi含量的增加，纤维织构强度略有增加，说明添加Bi对织构的作用与Sn相似，但与Ca或RE则有不同。

图3 挤压态 (a) Mg、(b) B2、(c) B5和 (d) B8的典型反极图和反极图

图4为挤压试样典型工程应力-应变曲线。随着Bi含量增加，Mg-Bi合金的抗压屈服强度(CYS)和抗拉屈服强度(TYS)均增大，而拉伸强度(EL)则先增大后减小。挤压态Mg-Bi金的TYS(> 170MPa)明显高于纯Mg(119 MPa)。本研究中固溶强化效果可忽略，因Bi在Mg中的固溶度在低温下几乎为0。考虑到Mg和Mg-Bi二元样品的基本织构相似，织构组分影响也不大。根据Hall-Petch方程计算，B2、B5和B8合金因晶粒细化而增强的TYS分别为25.8 MPa、59.4 MPa和76.8 MPa。因此，二元Mg-Bi合金强度提高主要是由于晶粒细化所致。

图4 挤压纯Mg、B2、B5和B8合金的典型拉伸(a)和压缩 (b) 工程应力-应变曲线

如图5a所示为挤压态Mg和Mg-Bi二元试样真应力-真应变(σ-ε)曲线。因屈服后弹塑性转变较短，Mg和Mg-Bi试样的应变硬化速率值均先急剧下降，然后趋于平稳并维持较低值。当(σ-σ0.2)=30 MPa时，随着Bi添加量从0增加到8%，应变硬化速率值由2310 MPa降至408 MPa。而当σ-σ0.2>30 MPa后，B5和B8的应变硬化速率下降速度逐渐减缓且几乎重合，这表明两者应变硬化速率呈动态恢复状态。晶粒尺寸是影响应变硬化参数的关键因素。纯Mg大晶粒尺寸可提供更多的空间容纳位错，提高了Hc和n值。而Bi的加入使晶粒细化，降低了晶粒中的位错密度，从而限制了位错的积累速率。此外，Mg-Bi合金中大量的Mg₃Bi₂沉淀颗粒不利于位错的储存，进一步导致位错的减少。总之，随着Bi含量的增加，应变硬化速率、硬化能力Hc和应变硬化指数n的降低主要源于显著的晶粒细化和活跃的析出行为的综合作用。

图5 (a) 挤压态Mg、B2、B5和B8的拉伸真应力-真应变曲线，(b)加工硬化速率与净流动应力(σ-σ0.2)的关系

综上所述，本研究成功制备出Mg-xBi（x=2, 5, 8wt%）合金，发现Bi添加对基面织构影响较弱，但细化晶粒效果显著；同时析出大量纳米级Mg₃Bi₂相。由于晶粒细化和Mg₃Bi₂析出强化的协同作用，挤压态试样表现出良好的综合力学性能。

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