上海交大《ACTA》補點鈣!一種兼具超高延伸率和高加工硬化能力的新型鎂合金

鎂動力 分類: 科研 發布時間: 2020-09-15 15:06

導讀:鎂(Mg)是最輕的結構金屬。然而,鎂合金的成形性差在很大程度上限制了其在結構件制造中的應用。成形性與高伸長率和高加工硬化能力密切相關。本文報告一個新型Mg-Al-Ca合金,可變形的Al2Ca沉淀析出,而Mg17Al12和Mg2Ca Laves相受到抑制。Al2Ca的析出阻礙位錯運動,導致非常大的加工硬化。在增強的流動應力作用下,Al2Ca析出物和位錯和堆垛層錯一起變形,減輕了局部應力集中,提高了斷后伸長率。此外,溶質Al和Ca抑制孿晶形核,促進Mg中<<c+a》位錯。該新型Mg-Al-Ca合金是現有Mg合金中最高的拉伸和加工硬化組合。

鎂(Mg)是最輕的結構金屬。商用鎂合金如AZ31比大多數鋁合金和鋼鐵具有更高的比強度。然而,Mg在室溫下的成形性較差,限制了這種金屬的廣泛應用。金屬的成形性通常與延伸率和加工硬化有關。延伸率測量的是材料承受單軸拉伸的應變極限,而加工硬化表示材料對頸縮的抵抗能力。商業Mg合金(如AZ31)沿著擠壓或軋制方向的伸長率通常是10%-15%。雖然Mg的伸長率可以通過晶粒細化來提高,但這種方式往往會降低加工硬化能力。


稀土元素如Y、Ce、Gd和Nd的加入可以通過弱化織構和激活非基性滑移來增強Mg的成形性。當這些合金經過適當的熱處理時,可在棱形面上形成細微的Mg-RE析出物,有效地抑制基面位錯,增強合金的強度。WE系列合金(Mg-Y-Nd)具有高強度和延展性,經常用于航空航天應用。盡管Mg-RE合金具有諸多優勢,但稀土資源有限使其對一般工業來說過于昂貴。因此,對無稀土鎂合金的研究一直在進行。


Ca作為一種有用的合金元素,越來越受到人們的重視。近年來研究發現,添加少量鋁和鈣可以提高Mg的延伸率和屈服強度(YS)。例如,Mg-1.0Al-0.1Ca (wt.%)軋制合金延伸率約為20%,這是由于〈c?+?a〉活性增強所致。由于富Al-Ca G.P. 區的形成提供抵抗位錯運動的阻力,Mg-6Al-0.28Ca-0.25-Mn(wt %)擠壓合金在T6峰時效態的屈服強度為253MPa。在所有這些研究中,為了防止Mg17Al12 (A12,立方結構)和Mg2Ca (C14,六邊形結構)Laves相的形成,Al和Ca均被控制在其溶解極限以下,這通常不利于材料的延展性。


在此,上海交通大學王樂耘等人報告了一種新開發的Mg-6Al-1Ca (wt%)合金,該合金具有高伸長率和強加工硬化能力。通過控制合金的化學成分和工藝,避免了Mg17Al12和Mg2Ca的形成。在微觀結構中析出Al2Ca,那些Al2Ca析出物是不可剪切但可變形的。由于其成分簡單,這種新型鎂合金將在工業應用中具有很大的吸引力。相關研究結果以Highly deformable Mg–Al–Ca alloy with Al2Ca precipitates為題發表在金屬頂刊《Acta Materialia》上。論文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.09.006

圖2顯示了使用Thermo-Calc軟件進行熱力學計算的結果。將合金在450°C下均化24 h,然后在250°C下擠出。所選擇的熱加工路徑阻止了共晶A12Mg17Al12和C36(Mg,Al)2 Ca的形成。相反,C15Al2Ca(立方結構)是在材料中發現的唯一類型的沉淀物,這是通過同步加速器X射線衍射揭示的(圖3(a,b))

圖1同步加速器X射線衍射的原位拉伸試驗原理圖

圖2合金開發。(a)計算出Mg-6Al-1Ca (wt%)組分的相分數隨溫度變化的函數。(b)該合金的熱機械加工路徑
AX61合金具有中等擠壓組織和完全再結晶組織,平均晶粒尺寸約為19μm。合金中含有Al2Ca析出物,其體積分數為~4.2%,平均直徑為0.63μm。

圖3 AX61合金的組織表征。(a) AX61合金的同步X射線衍射圖。(b)在90°范圍內沿方位角方向整合衍射圖樣得到的衍射輪廓。 (c) TKD相圖顯示Al2Ca顆粒在Mg中析出。Al2Ca和Mg顆粒的取向用單位細胞和歐拉角表示。(d) TKD表征的Al2Ca析出物的粒度分布。(e, f) EBSD繪制的Mg相的反極圖(IPF)圖和{0002}極圖

圖4(a)顯示了合金的應力-應變曲線。樣品的屈服強度(YS)為125 MPa,而拉伸伸長率為27%,極限抗拉強度(UTS)為260 MPa。UTS和YS之間的差異可以用來衡量工作硬化能力。圖4(b)比較不同的Mg鍛造合金的拉伸伸長率和UTS-YS值。AX61合金位于右上角,表明它具有比幾乎所有其他合金更好的成形性。唯一可比較的合金是Mg-1Mn-1Nd(wt%)。MN11合金的晶粒尺寸(?15μm)比AX61(?19μm)略小,但其強度(YS = 105 MPa,UTS = 240 MPa)低于AX61(YS = 125 MPa,UTS = 260 MPa) )。此外,Mg-1Mn-1Nd合金還包含昂貴的Nd稀土元素。因此,AX61合金總體上優于MN11。

圖4 AX61合金的拉伸性能。(a) AX61合金的工程應力-應變曲線。(b)不同Mg變形合金的延伸率和UTS-YS值的比較

圖5 Mg和Al2Ca的衍射峰分析。(a) 應變0%和25%拉伸方向Mg{11-20}峰附近的德拜環。(b)Mg{11-20}峰附近±5°范圍內拉伸方向的綜合衍射輪廓。(c, d) Mg和Al2Ca中不同峰的晶格應變沿拉伸(軸向)方向的演化。(e, f)晶格應變是Mg和Al2Ca中沿軸向和橫向的不同峰值施加應力的函數。(g, h) Mg和Al2Ca峰的FWHM演化

圖6表面滑動痕跡分析。(a)通過EBSD測量小區域的晶粒方向。(b)在4%應變下觀察到的滑移痕跡根據所識別的滑移體系進行標記。(c) AX61,Mg-0.47?wt % Ca和AZ31在4%應變的滑移活動統計數據。(d)三種擠壓合金的{0002}極圖形

圖7非基底滑移軌跡通常始于晶界:(a, d)棱柱滑移,(b, e)錐體I滑移,(c, f)錐體II滑移

圖8透射電鏡觀測Al2Ca變形。(a) 沿[011]晶帶軸在g =(02-2)條件下,Al2Ca沉淀在2%應變的雙束暗場(TBDF)圖顯示在Al2Ca沉淀中的位錯。(b)沿[011]晶帶軸在g =(11-1)條件下,另一個Al2Ca沉淀在4%應變的TBDF圖像,顯示在Al2Ca沉淀中的堆積層錯

圖9 Al2Ca /Mg邊界附近位錯分析。(a)沿著[1-210]帶軸在g?=?(10-10)條件下的TBDF圖。(b)沿著軸[1-210]帶軸g =(0002)條件下的TBDF圖

圖10 AX61和Mg-0.47Ca在不同拉伸應變下的反極圖和{0002}極圖

圖11 AX61和Mg-0.47Ca在不同拉伸應變下的孿晶體積分數

圖12?AX61合金的變形機理示意圖
綜上所述,該擠壓Mg-6Al-1Ca (wt%)合金AX61具有超高的伸長率(~27%)和加工硬化(UTS – YS = 135 MPa)。變形過程中基體滑移是主要的變形形式,而在Mg相中孿晶被抑制。非基底滑移,特別是錐體II滑移在變形初期可以從晶界被激活。由于溶質Al和Ca的作用,非基性滑移體系的激活提高了該合金的延展性。Al2Ca析出物在Mg中不能被位錯剪切,但可以通過形成內部位錯和堆垛層錯而發生塑性變形。Al2Ca的內部塑性可以迅速消除Mg/Al2Ca界面處的應力集中,從而保持材料的高延性。幾何必要位錯(GNDs)在Al2Ca周圍成核,增加了位錯的總密度,導致合金的強加工硬化。

來源: 材料學網

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