镁合金拉压不对称性研究

曾志刚

摘 要：镁合金的拉压不对称是限制其应用的一个关键因素，从目前的研究来看，加入合金元素尤其是稀土元素来抑制{102}拉伸孪生的产生对降低不对称性效果较好，细化晶粒也能起到较为显著的效果。但解决问题的关键在于进一步加深对织构与孪生和非基面滑移的关系的认知。出于镁合金发展的需要，本文综述了现阶段对拉压不对称性的认识，阐述了合金元素、晶粒尺寸、加工工艺等因素对镁合金拉压不对称性的影响，指出了在降低拉压不对称性方面面临的不足以及可能的解决途径。

关键词：拉压不对称 织构 孪生 稀土元素 晶粒尺寸

加工工艺

镁合金具有密度小、比强度和比刚度高、阻尼减震性好、电磁屏蔽效果佳等特点，这使得镁及其合金在汽车、航空航天、电子器件等领域有着广泛的潜在应用。Mg为六方最密堆积（HCP）晶体结构，可开动的滑移系统有限，在室温下成型性较差。常规挤压和轧制的镁合金显示出强烈的基面织构，在该织构处，基底平面主要平行于主要塑性流变方向排列，导致变形能力差和各向异性强[1]，产生明显的拉伸-压缩屈服不对称，这极大程度上限制了镁合金的应用。

这种不对称性可以通过几種方式来改善，如弱化织构、细化晶粒、加入合金元素和热处理[1，2]。在近期的研究中向镁及其合金中加入稀土元素（RE）是主流方法之一，如钆（Gd），钇（Y）。稀土元素的加入使得织构弱化，拉压时变形机制相近而减小拉压屈服极限的差异，甚至出现反向拉-压不对称性。且稀土元素的加入本身就能提高镁合金的机械性能起到强化作用，所以稀土元素对于改善上述不对称性有很好的效果。

1  拉压不对称性机理

材料的机械性能对应于相应的变形机制，目前普遍认为{102}拉伸孪生是具有织构的镁合金产生拉压不对称的主要原因。基面滑移和{102}拉伸孪生是镁合金中最易被激活的变形方式，{102}拉伸孪生被激活所需的临界应力约为2～28MPa。镁合金在沿ED/RD方向施加载荷时，拉伸时的主要变形模式是基底滑移非与基底滑移，而压缩时是基底滑移与孪生。Xiong等人发现ZK60在TD方向拉-压屈服强度几乎相同，在ED方向表现出明显的拉-压不对称性，ED和TD样品之间拉伸-压缩响应的差异源于独特的孪晶活动，这种孪晶活动与最初的基底织构有着内在的联系。

2  合金元素对拉压不对称性的影响

稀土元素在镁合金中起到弱化织构的作用。镁合金基面滑移和{102}拉伸孪生最易发生，导致变形时形成强基面织构。Zhang等在镁基体中加入2.5 at. %的Y，提出了一种有效降低整体变形响应中的拉压不对称性，同时保持合金合适强度的方法。相比于基面织构促进了柱面滑移，该织构促进了基面滑移，同时Y的加入使得晶粒细化抑制了压缩时的{102}孪生活动，因此拉压时主导变形机制是基面滑移加柱面滑移，从而改善了拉压不对称性，而Y添加起到的固溶强化作用保持了合金适当的强度。

镁合金最常见的强化元素是铝和锌，形成了镁铝系和镁锌系等镁合金。这两种合金系力学性能虽较优，但面临拉压不对称的问题。Sang等报道在Mg-Al系中添加锡（Sn）有效降低了拉压不对称性。这种降低与Y的添加降低拉压不对称性类似，即沉淀相对晶界的钉扎和晶粒的细化导致{102}孪生在压缩时变得难以激活，提高了压缩屈服强度。但Sn降低延展性的问题尚需进一步研究，Wang和Shen等[研究了Mg-Sn系合金中加Y的含量对合金室温延展性的影响，其指出{102}、{101}、{102}-{101}并非影响延展性的主要机制，而细化晶粒、改变织构、高晶界凝聚力等可能是关键因素。

3  晶粒尺寸对拉压不对称性的影响

晶粒尺寸对镁合金的拉压不对称性有显著影响。目前通常通过粉末冶金（PM）和等通道转角挤压（ECAP）等方法制备超细晶金属材料，但对材料的拉压不对称性的研究仍集中在传统变形镁合金。C.M.等研究了传统多晶镁合金的室温拉压不对称性，其指出较细的晶粒将优先发生基面滑移，且即使存在较强的基面织构时基面滑移也将是变形的主导机制。相比之下，孪生较滑移受晶粒尺寸的影响更为明显[3]，随着晶粒的细化，{102}孪生将受到抑制，使得压缩屈服强度接近甚至超过拉伸屈服强度。故拉压不对称的产生最终归结为拉伸时启动非基面滑移和压缩时启动孪生所需应力不同，要降低这种不对称，即为要强化孪晶至高于激活棱柱滑移所需的水平。

4  加工方式对拉压不对称性的影响

镁合金的拉压不对称性将因加工工艺的不同而产生相应的变化。这种变化与基体内部织构的变化，即与晶粒取向的改变有密切联系。对镁合金进行挤压塑性变形时，会形成{0001}中心织构，此时大部分晶粒的{0001}基面与挤压方向平行，导致在挤压方向产生拉压不对称。

5  结语

随着轻量化的发展，镁合金拉压不对称性的解决将是进一步扩展镁合金应用的一个关键。产生拉压不对称的主要原因是{102}拉伸孪生和织构。要解决拉压不对称性，一方面要进一步了解孪生与织构、滑移与织构的关系，一方面就在于抑制{102}孪生和弱化织构。研究表明，合金元素中以稀土元素对降低拉压不对称性的效果最佳，又以钇的添加最为显著。而在稀土元素获得广泛关注的同时，随之而来的成本问题又不得不去解决。

除了合金元素，其它因素诸如晶粒尺寸、温度、沉淀相、加工方式等将会因对滑移和孪生影响的不同而对镁合金的拉压不对称性产生不同影响，但拉压不对称性降低的机理仍归结为抑制{102}孪生和弱化织构。也有报导称存在2.7的临界尺寸[3]，使得变形机制发生从孪生向滑移的转变，这或许为谋求镁合金高屈服强度条件下的拉压对称性提供了一种可能。

参考文献：

[1] Ehsan Mostaed， Alberto Fabrizi， David Dellasega， et al.   Grain size and texture dependence on mechanical properties， asymmetric behavior and low temperature superplasticity of ZK60 Mg alloy.Materials Characterization 107 （2015） 70–78

[2] Wenke Wang， Guorong Cui， Wencong Zhang， et al.   Evolution of microstructure， texture and mechanical properties of ZK60 magnesium alloy in a single rolling pass.Materials Science &Engineering A

[3] Haidong Fan， Sylvie Aubry， Athanasios Arsenlis， et al.Grain size effects on dislocation and twinning mediated plasticity in magnesium.Scripta Materialia 112 （2016） 50–53