镁科研:双相粒子协同调控混晶结构Mg-9Al-Zn合金组织同步提升强塑性 ...

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镁合金被誉为“21世纪绿色工程材料”,是当前世界上最轻的金属结构材料。近年来,细晶/超细晶镁合金材料可以获得优异屈服强度而受到人们广泛关注。但是,当晶粒尺寸细化到一定程度,组织内高密度的晶界强烈阻碍位错滑移,并且细晶/超细晶储存位错的能力十分有限,易发生应力集中,导致塑性大幅度降低。如何在不损失强度的同时提高镁合金室温塑性显得尤为重要。近年来,有学者提出通过衬板辅助控制轧制(HPR)实现镁合金混晶结构组织与织构协同调控,从而改善其力学性能。混晶结构镁合金组织中同时包含亚微米级细小晶粒和几十微米的粗大晶粒,可以实现强度和塑性的同步提升。然而,混晶结构镁合金中粗晶和细晶比例如何影响镁合金力学性能的内在机制尚不明确,亟需进一步研究混晶结构镁合金的组织调控机制。而且,面对热变形过程中不可避免的晶粒长大过程,如何调控混晶结构中细晶的体积分数仍然是材料研究学者面临的挑战性难题。

最近,吉林大学王慧远教授和查敏教授课题组通过改变稀土元素Y添加量调控合金中粗大Al2Y与亚微米Mg17Al12相的体积分数;基于粗大Al2Y与亚微米Mg17Al12双颗粒协同调控HPR过程中的动态再结晶(DRX),实现了混晶结构Mg-9Al-1ZnAZ91)细晶比例优化与织构弱化协同控制。随Y含量从0增加至1 wt %,混晶结构中细晶(∼2.5 μm)体积分数从~30 vol.% 增至 52 vol.%,且织构逐渐弱化,结果如图1所示。具有最优细晶比例的AZ91-1Ywt %)合金强度和塑性同时提升,抗拉强度为~405 MPa、延伸率为~9.4%,其强塑性结合明显高于与文献报道AZ91合金,结果如图2所示。

 1 HPRed AZ91-x Y 合金的IPF图及织构演化分析

 2  HPRed AZ91-xY合金力学性能及其与文献报道AZ91合金比较

本文揭示了Al2Y相在混晶结构中通过促进DRX驱动力提升细晶比例的机制,结果如图3所示。在变形过程中,应变率先在Al2Y相附近积累,为DRX晶粒形核提供驱动力,使DRX晶粒优先在第二相周围形核,即PSN机制。从图3的区域i中可见,在HPR变形后,Al2Y相周围形成了大量细小的DRX晶粒,晶界取向差角度在~20°-50°之间,为典型的HAGBs,其晶界取向差角度明显高于远离Al2Y相区域的晶粒。区域ii为粗晶中PSN机制发展完成并且DRX晶粒稳定后的结果。这直接解释了添加Y元素后混晶组织中细晶区域比例明显提升的原因,即粗大Al2Y相通过PSN机制诱导DRX晶粒形核。

3  Al2Y相诱发PSN现象的EBSDSEM分析

值得注意的是,Al2Y促进DRX的同时会导致细晶区域晶粒尺寸增加,使混晶结构中晶界强化作用减弱,不利于性能的提高。因此,提高混晶结构中细晶比例的同时保持细小晶粒尺寸也至关重要。为了维持细小稳定的再结晶晶粒尺寸,本工作利用弥散分布的亚微米级Mg17Al12相抑制DRX晶粒长大,相关结果如图4所示。可以观察到在HPR变形后形成的细小DRX~400 nm)晶粒的晶界上分布着大量的近球形、其尺寸为200-500 nm的亚微米级Mg17Al12相。由此可见,Al2Y相可以使其附近积累较高的应变能,为DRX晶粒的形核和长大提供驱动力,而弥散分布的细小Mg17Al12粒子可有效钉扎晶界,抑制DRX晶粒长大。因而,协同利用Al2Y相对DRX的促进作用和Mg17Al12相对DRX晶粒的阻碍作用可以在维持细小晶粒尺寸的前提下实现混晶组织中粗晶、细晶比例的调控。

衬板控轧AZ91-1Y合金细晶区域的显微组织特征

为了深入分析第二相对DRX行为的影响以及细晶比例增加对混晶组织力学性能的影响,本文定量计算了第二相引起的DRX驱动力和Zener钉扎阻力以及混晶结构镁合金强化机制,其中PDPZ的差值对调控细晶体积分数具有重要作用,例如,在AZ91-1Y合金中,PD~11.2 × 105 Nm-2,远大于其对应的Pz~3.1× 10Nm-2)的数值,因此在AZ91-1Y合金中,可以形成大量的DRX晶粒并维持稳定的晶粒尺寸,最终实现混晶结构中细晶比例大幅度提高至~52 vol.%。同时,细晶的晶界强化贡献占到了屈服强度的70%以上,是混晶结构镁合金强度提升的主导因素。由此可见,在维持稳定细晶尺寸的前提下,通过优化细晶比例是提高混晶结构镁合金强度的有效方法。

本文以衬板控轧技术制备混晶结构镁合金为基础,研究Y含量对微米级Al2Y相和亚微米级Mg17Al12相尺寸和体积分数的影响,在此基础上分析了粗大Al2Y相提供的DRX驱动力与亚微米级Mg17Al12相的Zener钉扎阻力对DRX形核、晶粒长大以及织构演化的影响规律,实现了混晶组织中细晶比例调控;基于粗晶、细晶区域对应的强、弱织构特性分析其强塑性同步提升机制。本研究为调控混晶结构镁合金组织实现强塑性协同提供依据

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本文作者2022-1-12 14:08
镁途
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