導(dǎo)讀：本研究通過短流程制造工藝，發(fā)現(xiàn)商用鎂合金AZ31 (Mg-3Al-1Zn-0.3Mn)板材具有良好的延展性和彎曲成形性。在90°彎曲試驗(yàn)中，未經(jīng)過任何退火的短加工板材雖然具有較強(qiáng)的基底織構(gòu)，但彎曲半徑較小，僅為其厚度的0.2倍。此外，它還可以承受反復(fù)折疊壓扁的直接變形。原位組織表征表明，彎曲區(qū)出現(xiàn)應(yīng)變局部化的擴(kuò)展孿晶帶。在隨后的壓扁過程中，這些孿晶帶經(jīng)歷了去孿，降低了局部應(yīng)變濃度，并實(shí)現(xiàn)了進(jìn)一步的彎曲變形。這種優(yōu)異的彎曲成形性源于動態(tài)再結(jié)晶晶粒內(nèi)棱柱晶面上顯著的< a >型位錯環(huán)滑移。這些晶粒在較短的制造過程中均勻細(xì)化到幾微米，并表現(xiàn)出較低的殘余應(yīng)變，此外，當(dāng)在運(yùn)動過程中繞過Al-Mn納米顆粒時(shí)，棱柱位錯活性進(jìn)一步增強(qiáng)，體現(xiàn)了良好的延展性和彎曲成形性。

鎂(Mg)在結(jié)構(gòu)金屬中質(zhì)量最氫，鎂合金在汽車、鐵路、航空航天等行業(yè)具有輕量化和節(jié)能的巨大潛力。例如，近年來，在北美制造的家用汽車中，鎂合金的使用量以每年10-14%的速度增長。其原理很容易理解——車輛總重量中減少10%的重量，可以提高4-8%的燃油經(jīng)濟(jì)性。汽車制造等行業(yè)迫切需要高性能和低成本的鎂合金薄板以替代目前使用的鋁和鋼板，用來制作結(jié)構(gòu)部件，比如車身面板和地板。

然而，鎂合金薄板的制造通常需要復(fù)雜的熱機(jī)械過程，包括多次軋制和多次中間再加熱。由于工藝窗口小，擊穿機(jī)的厚度減薄通常控制在每次10%左右，擊穿后每道次減薄限制在10-30%，以避免邊緣開裂。制造周期的延長導(dǎo)致板材制造費(fèi)用的增加和效率的降低。此外，鎂合金板材的使用還面臨著環(huán)境溫度下彎曲成形能力不足的局限。金屬板必須彎曲成所需的形狀通常為v形、u形和槽形，這是許多行業(yè)，特別是汽車、運(yùn)輸和電子產(chǎn)品行業(yè)中，彎曲成形性是金屬板的重要性能要求，例如，在汽車制造中，高彎曲成形性是折邊等工藝的先決條件。鎂合金的彎曲成形性不足。

盡管提高鎂合金板材的彎曲成形性的工業(yè)需求很大，但與提高鎂合金的延展性和拉伸成形性的研究相比，關(guān)于鎂合金的研究還比較有限。到目前為止，鎂合金板材的彎曲成形性的主要方式是織構(gòu)弱化，增加基底位錯滑移的活性。然而，迄今為止，這種方法下，樣品必須通過高壓扭轉(zhuǎn)，或以較慢速度和較低溫度進(jìn)行加工——這兩種方法大大降低了加工效率，因此難以大規(guī)模生產(chǎn)。

最近，我們開發(fā)了一種薄板制造工藝，可以以正常軋制速度(4.8 m/min) 實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)鎂合金薄板。這種方法只需一次大應(yīng)變平擠壓和1-3次熱軋(取決于板材最終厚度)。這大大縮短了鎂薄板采用常規(guī)多道次軋制的漫長制造過程，因此在本文中稱為“短工序”。使用該方法制備的鎂合金板材具有較高的彎曲成形性(補(bǔ)充視頻1)。本文以應(yīng)用最廣的鎂合金成分AZ31合金為例，證明了該短工藝制備的板材具有可觀的延展性和優(yōu)異的彎曲成形性。

湖南大學(xué)機(jī)械與車輛工程學(xué)院阮秋琦等教授相關(guān)研究以“Mechchanisticinvestigation of highbendable magnesium alloy sheet fabricated by short-process manufacturing”為題發(fā)表在Journal of Magnesium and Alloys上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2213956723002256

圖1所示。現(xiàn)場EBSD觀測彎曲和壓平過程的設(shè)置圖像和示意圖。通過有限元模擬，得到了原位彎曲試驗(yàn)的內(nèi)、外表面應(yīng)力張量。有限元模擬的輸入?yún)?shù)如表1所示。

圖2所示。(a - d)從ED(RD)-TD面得到的(a)邊緣、(b)到邊緣、(c)擠壓帶材中心部分和(d)短加工板材的EBSD方向圖和相應(yīng)的(0002)極點(diǎn)圖。(e, f)擠壓帶材和短加工板材中心部位的KAM圖。

圖3 (a) 采用Williamson-Hall方法進(jìn)行AZ31短加工薄片的實(shí)驗(yàn)測量和cmwp -擬合XRD譜圖;(b)基于峰展寬的微應(yīng)變計(jì)算。

圖 4 (a)擠壓帶材和短加工板材的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。插入顯示邊緣部分，到邊緣，和中心部分作為擠壓帶。(b)與文獻(xiàn)報(bào)道的AZ基合金的拉伸性能比較。

圖 5  (a)用直徑為10 mm的沖頭將1.5 mm厚的擠壓帶彎曲90°，(b)用直徑為0.2 mm和4 mm的沖頭將0.5 mm厚的短加工板彎曲90°和(c) 180°時(shí)，外表面和內(nèi)表面的真應(yīng)變隨彎曲角的變化規(guī)律。(a、b)中插入的照片顯示，板材成功彎曲90°，彎曲半徑為3.3T和0.2T， (c)中的照片顯示，板材(i)彎曲了約180°，(ii)隨后變平，(iii)反向彎曲了約90°，沒有任何可見的裂紋。從試驗(yàn)臺取出后，彎曲的試樣被彈回。(d)本研究和文獻(xiàn)報(bào)道的軋制薄板和擠壓帶材的最小彎曲半徑，其厚度范圍在0.5 ~ 6.3 mm之間。這些樣品在室溫下被彎曲90度。(e)用直徑為0.2 mm和4mm的沖頭分別彎曲90°和180°的短加工試樣壓扁過程中應(yīng)變演化的DIC結(jié)果。(e)中的照片來自彎曲和斑點(diǎn)樣品的左右相機(jī)，在壓平前與應(yīng)變圖疊加。

圖6  彎曲和壓扁過程中的微觀結(jié)構(gòu)和應(yīng)變演化。(a - h)彎曲時(shí)沖床從(a, b) 2mm移動到(c, d) 4.7 mm，再移動到(e, f) 2mm和(g, h)彎曲時(shí)樣品RD-ND表面的原位EBSD取向圖和相應(yīng)的晶粒取向展布圖(GOS)。(i)壓縮區(qū)孿晶面積分?jǐn)?shù)(j)彎曲和壓扁過程中凸模位移的函數(shù)關(guān)系。

圖7 (a, b) EBSD取向圖和GOS圖顯示了彎曲AZ31板的雙帶相交和沿雙帶的局部應(yīng)變。原位EBSD定向圖顯示彎曲過程中的(c-f)孿晶和壓平過程中的(f-h)去孿晶。(i - k)(0001)極形圖顯示了晶粒和孿晶(i)在軋制狀態(tài)下的取向，(j)彎曲4.7 mm的沖壓位置，(k)壓平后的取向。(l-n)原位GOS圖顯示，從4.7 mm沖孔位置到原始位置的壓平過程中，與脫孿生有關(guān)的GOS水平下降。

圖8 (a)當(dāng)沖頭移動到4.7 mm位置時(shí)，試樣側(cè)面彎曲后的SEM圖像。可以區(qū)分拉伸、壓縮塑性變形區(qū)和彈性變形區(qū)。用有限元法計(jì)算了外表面0.039 ~內(nèi)表面- 0.043的真實(shí)應(yīng)變分布，給出了計(jì)算結(jié)果。中性線用黃色虛線表示，虛線向拉伸區(qū)偏移。根據(jù)晶粒取向擴(kuò)展(GOS)圖，將塑性變形區(qū)域劃分為7個區(qū)域(標(biāo)記為a - g)，每個區(qū)域的寬度為~ 50 um。給出了7個塑性變形區(qū)域和彈性變形區(qū)域的GOS。(b) A-G區(qū)晶粒內(nèi)取向軸(IGMA)分析。

圖9 (a-d)彎曲至4.7 mm沖孔位移時(shí)拉伸區(qū)選定晶粒G1-G6的原位EBSD取向圖。(e)彎曲過程中所選六種顆粒的顆粒旋轉(zhuǎn)角度隨沖床位置的變化。(f, g)各顆粒彎曲至(f) 2-mm和(g) 4.7 mm沖孔位置后的IGMA反極圖。(h)從拉伸區(qū)隨機(jī)選取100個晶粒彎曲至4.7 mm沖孔位置后的IGMA類型、mbasal和mprism/mbasal。

圖10 (a, d)短加工態(tài)和(e - h)擠壓態(tài)AZ31試樣的原位SEM觀察，當(dāng)測試儀的十字頭按試樣長度移動(a, e) 0%， (b, e) 10%， (e, f) 15%， (d, h) 20%時(shí)。用藍(lán)色箭頭突出顯示的表面特征用于跟蹤同一區(qū)域(用白色矩形突出顯示)。(i - 1)高倍拉伸試驗(yàn)中擠壓態(tài)AZ31的觀察。(i) EBSD方向圖，(j)對應(yīng)的KAM圖，(k, l)局部區(qū)域延伸率為6.9%和10.0%時(shí)的SEM圖像。白色矩形突出了與變形晶粒I和II相鄰的再結(jié)晶晶粒。(1)中的紅色和黃色箭頭分別表示晶粒I中存在晶內(nèi)裂紋，晶粒I和晶粒II之間存在嚴(yán)重變形。(m)擠壓態(tài)AZ31拉伸率為10.0%時(shí)沿TD的局部應(yīng)變和裂紋(綠色矩形突出顯示)。

圖11. (a, b)短加工AZ31在SEM原位拉伸階段被拉長13.6%后的兩張SEM圖像。(c)確定滑移跡的16個顆粒的EBSD取向圖。根據(jù)它們的方位，可以得到基底滑移、棱柱滑移(3個變量)和錐體II滑移(6個變量)的軌跡方向。通過將潛在滑動軌跡與SEM圖像中觀察到的滑動軌跡進(jìn)行匹配，確定了滑動軌跡為基底滑動軌跡。

圖12. 拉伸過程中選定晶粒變形的現(xiàn)場觀察及晶粒內(nèi)取向偏差分析。(a-d)加工階段和拉伸率分別為7.6%、10.8%和16.2%時(shí)的SEM表面觀察。(a)中的紅色箭頭突出顯示了用于跟蹤黑色幀中同一區(qū)域的表面特征。根據(jù)黑框的形狀變化計(jì)算局部應(yīng)變。(e, f)處理階段和延伸16.2%后的EBSD取向圖。(g) 16.2%延長率后各晶粒的IGMA反極圖。

圖13. (a) g1 = 0002， (b) g2 = 013， (c) g3 = 101。(c)中大多數(shù)位錯是不可見的，g1 = 0002, g2 = 013，因此，這些位錯的Burgers向量為[110]。(d)高倍鏡下g = 0002條件下可見的位錯和層錯。(a)和(d)中的綠色箭頭顯示了g1 = 0002條件下可見的位錯，表明它們要么是[c]，要么是< c + a >。入射光束幾乎平行于矩陣的[20]。在衍射條件為g3 = 101的條件下，捕獲了補(bǔ)充視頻6的原位TEM圖像。

圖14. 原位TEM圖像序列及相應(yīng)的位錯行為示意圖。(a, b) < a >位錯的直線螺桿分量在棱柱平面上的湮滅。在插圖(b)中顯示了湮滅后仍然存在的無柄段，并作為進(jìn)一步位錯的來源(c-h)。入射光束幾乎平行于矩陣的[20]，且g = 101。

圖15 (a)短加工AZ31板材明場和(b)高角度環(huán)形暗場圖像，以及(c) Mg、(d) Al、(e) Mn、(f) Zn元素的EDX元素映射。

圖16 (a)本研究與文獻(xiàn)的CRSSprism /CRSSbasal比值吻合較好。(b) CRSSprism /CRSSbasa比值與晶粒尺寸和位錯密度的函數(shù)關(guān)系，以及位錯引起的剪應(yīng)力增量與位錯密度的函數(shù)關(guān)系。

圖17 來自文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)回顧關(guān)于(a) Mg擠壓和軋制合金和(b)擠壓和軋制AZ31合金在不同條件下的伸長率和晶粒尺寸。

圖18 (a)基于Williamson-Hall法峰展寬的微應(yīng)變計(jì)算;(b)前人研究中低溫?cái)D壓AZ31的實(shí)驗(yàn)測量和cmwp -擬合XRD譜圖。

在本研究中，開發(fā)了一種由大應(yīng)變擠壓和隨后的熱軋組成的短制造工藝，以生產(chǎn)延展性和可彎曲的AZ31薄板。采用有限元法對彎曲變形進(jìn)行了模擬。通過多尺度原位SEM、EBSD和TEM監(jiān)測其微觀組織演變，研究了其在拉伸和彎曲試驗(yàn)中的變形模式。主要結(jié)論如下:

（1） 短加工AZ31板材具有良好的延展性，在彎曲試驗(yàn)中也表現(xiàn)出優(yōu)異的成形性。與擠壓態(tài)相比，其強(qiáng)度和總伸長率分別提高了224 MPa和27%。在90°冷彎試驗(yàn)中，其最小彎曲半徑僅為0.2T，遠(yuǎn)小于擠壓帶材(~ 3.3T)。

（2） 短加工AZ31板材可承受彎曲-壓扁，然后以較小的彎曲半徑(4T)進(jìn)行反向彎曲。在試樣的壓縮區(qū)，在彎曲過程中形成延伸孿晶帶，但在壓平后通過脫孿而消失。脫孿生減輕了與孿晶帶相關(guān)的局部高應(yīng)變，導(dǎo)致應(yīng)變緩慢增加且分布均勻，從而實(shí)現(xiàn)了進(jìn)一步彎曲的可能性。

（3） 通過與不同擠壓軋制條件下的AZ31相比較，該工藝可以在短時(shí)間內(nèi)均勻地實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化和低殘余應(yīng)變。這樣的組織導(dǎo)致了明顯的加工硬化能力和隨后拉伸和彎曲過程中的均勻塑性變形，從而延緩了沿TD發(fā)生的晶內(nèi)裂紋和應(yīng)變局部化。

（4） 對于基底織構(gòu)較強(qiáng)的AZ31板材，其明顯的延展性和優(yōu)異的彎曲成形性源于細(xì)化至幾微米的動態(tài)再結(jié)晶晶粒內(nèi)棱柱晶面上明顯的< a >型位錯環(huán)滑動。由于晶界有效硬化，棱柱位錯滑移的相對激活應(yīng)力遠(yuǎn)低于基底滑移(CRSS prism / CRSSbasal僅為~ 1.6)。