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西北工業(yè)大學(xué)&重慶大學(xué)鎂合金頂刊：累積擠壓焊接高強(qiáng)韌AZ31鎂合金！

2021-08-26 10:33:30 作者：材料學(xué)網(wǎng) 來源：材料學(xué)網(wǎng) 分享至：

導(dǎo)讀：本文對(duì)具有異質(zhì)雙峰晶粒結(jié)構(gòu)的 AZ31 鎂合金（較小的晶粒尺寸為 5–20 ?m，較粗的晶粒尺寸為 100–200 ?m）在 250 ℃下進(jìn)行累積擠壓結(jié)合（AEB）并結(jié)合兩階段人工冷卻，即局部水冷和人工冷卻。該組織由于累積擠壓結(jié)合樣品的不連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶（DDRX）而連續(xù)發(fā)展。{10-12} 拉伸孿晶也對(duì) AEB 發(fā)揮了重要作用，在容器的初始擠壓階段局部水冷。與沒有水冷的情況相比，局部水冷可以進(jìn)一步將 DRXed 晶粒尺寸減小到 ~ 2.1 ?m。并通過擠出模具的人工冷卻降低了晶粒生長(zhǎng)速度。在兩段冷卻相結(jié)合的情況下，板材出擠壓模后，細(xì)小DRXed晶粒幾乎得以保留，平均晶粒尺寸為~2.3 ?m，同時(shí)還保留了具有高殘余位錯(cuò)密度積累的未動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒。拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明，該材料具有良好的強(qiáng)度-塑性平衡，極限拉伸強(qiáng)度（319 MPa vs. 412 MPa）和斷裂伸長(zhǎng)率（19.9% vs. 30.3%）較高。強(qiáng)度的提高主要是由于晶粒細(xì)化和人工冷卻保留的局部殘余塑性應(yīng)變。優(yōu)良的延性源于精細(xì)的DRXed組織和ed傾斜雙峰織構(gòu)。

為了滿足日益增長(zhǎng)的汽車重量和減少CO2排放的需求，輕質(zhì)金屬備受關(guān)注。鎂合金作為最輕的市售結(jié)構(gòu)金屬材料，近年來引起了廣泛的研究興趣，尤其是力學(xué)性能優(yōu)于鑄造鎂合金的鍛造鎂合金。然而，該合金僅應(yīng)用于少數(shù)領(lǐng)域，這主要是由于其強(qiáng)度低、塑性和室溫成形性差。因此，為了擴(kuò)大應(yīng)用范圍，近年來通過添加稀土（RE）元素、細(xì)化晶粒等多種方法在強(qiáng)度和延展性的提高方面進(jìn)行了大量努力。

在鎂合金中微合金化或復(fù)合添加稀土元素，如 Gd, Yb , Y, Ce, Sm是提高強(qiáng)度和延展性的有效方法。例如，Wang 等人研究了微量 Gd 添加對(duì) Mg-4Zn 合金力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn) 0.5% Gd 可以將屈服強(qiáng)度提高到 286 MPa，良好的伸長(zhǎng)率為 15.3%。李等人報(bào)道 Yb 溶液促進(jìn)了完全再結(jié)晶的超細(xì)晶顯微組織和傾斜的弱織構(gòu)成分的形成，導(dǎo)致強(qiáng)度-塑性平衡與約 393 MPa 的UTS 和約19.1% 的 EL。呂等人通過鑄造和擠壓研究了 Y 和 Sm 添加對(duì)鎂合金的綜合影響。拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明，Mg-7Y-5Sm-0.5Zn-0.3Zr合金的屈服強(qiáng)度為250 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率為18.5%，優(yōu)于商業(yè)基準(zhǔn)AZ系列合金。然而，昂貴的稀土元素添加會(huì)增加鎂合金的制造成本，限制其廣泛的工業(yè)應(yīng)用。因此，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度、保持良好的延展性和降低制造成本將是擴(kuò)大鎂合金應(yīng)用的關(guān)鍵目標(biāo)。

晶粒細(xì)化被證明是以低制造成本提高鎂合金綜合性能的最有前途的方法。正如 Sun 等人報(bào)道的那樣。Mg-10.6Gd-2Ag （wt. %）合金通過等通道角擠壓（ECAP）表現(xiàn)出 317 MPa 的高屈服強(qiáng)度和 22.6% 的優(yōu)異伸長(zhǎng)率，這源于精細(xì)和完整的 DRX 顯微組織（平均晶粒尺寸減小到 ~ 1.7 ?m）。而晶粒細(xì)化技術(shù)（如劇烈塑性變形）， SPD）通常處于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模，不適合工業(yè)生產(chǎn)。因此，迫切需要尋找工業(yè)規(guī)模化連續(xù)制造大塊超細(xì)晶粒鎂合金的新技術(shù)。

我們之前的研究表明，累積擠壓結(jié)合（AEB）可以有效地細(xì)化 AZ31 合金板材的微觀結(jié)構(gòu)，在 150 至 250 ℃的溫度下具有良好的界面結(jié)合質(zhì)量和無邊緣裂紋根據(jù)微觀結(jié)構(gòu)演變研究，發(fā)現(xiàn)在定徑帶處獲得了最細(xì)的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶（DRXed）晶粒。而由于模具出口附近實(shí)際溫度較高，板材出擠壓模后晶粒明顯長(zhǎng)大，削弱了晶粒細(xì)化效果。因此，還需要通過優(yōu)化基于 AEB 的加載路徑來進(jìn)一步細(xì)化晶粒。

在這項(xiàng)工作中，西北工業(yè)大學(xué)聯(lián)合重慶大學(xué)等高校嘗試了兩階段冷卻以減少 AEB 過程中的晶粒生長(zhǎng)，包括通過在定徑帶處局部水冷降低 DRXed 晶粒尺寸和通過人工冷卻從擠壓模具中降低晶粒生長(zhǎng)速率。與原樣相比，250 ℃具有精細(xì)微觀結(jié)構(gòu)和ED傾斜雙峰織構(gòu)的樣品的UTS增加了376 MPa，斷后伸長(zhǎng)率增加了30.1%；伴隨兩種冷卻方式的AEB加工樣品的UTS持續(xù)增加，導(dǎo)致WAC-250℃樣品具有優(yōu)異的強(qiáng)度和延展性平衡；此外，YS 也從 171 MPa 增加到 192 MPa，這主要是由于晶粒細(xì)化和內(nèi)部殘余應(yīng)變。相關(guān)研究成果以題“Strength-ductility balance of AZ31 magnesium alloy via accumulated extrusion bonding combined with two-stage artificial cooling”發(fā)表在鎂合金頂刊Journal of Magnesium and Alloys上。

論文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2213956721001717

在初始階段，{10-12} 拉伸孿晶和 DDRX 被激活并主導(dǎo)變形。隨著變形的繼續(xù)，粗大的原始晶粒逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的DRXed晶粒。片材出模后，觀察到c軸偏向ED和生長(zhǎng)的晶粒。局部水冷可以有效地將錐模和定徑帶的DRXed晶粒尺寸減小到2.1 ?m；人工冷卻有利于熱量的快速擴(kuò)散，抑制擠壓模外晶粒長(zhǎng)大；兩種冷卻工藝的結(jié)合可以保留平均晶粒尺寸為 2.3 ?m 的細(xì)晶粒顯微組織，并且殘余應(yīng)變也保留在未 DRX 晶粒中。