析出相取向调控提高镁合金力学性能及其强化机理研究

AZ31镁合金(Mg-3wt.%Al-1wt.%Zn)是一种常用的商业镁合金，己被 广泛应用于交通运输装备和航空航天等领域。但与铝合金和钛合金等轻量化材料相比，其较低的绝对强度仍是限制其进一步推广应用的主要因素。虽然析出强化一直被认为是一种能有效提高镁合金强度的手段， 但由于AZ31 镁 合金时效所得析出相（Mg 17 A l2 ）的数量有限，且其主要分布于基体的 （0001） 基面上，所产生的析出强化效果十分不明显。因此，AZ31镁合金 通常视为一种不可热处理强化的镁合金。

最近，西南交通大学曾迎副教授与四川轻化工大学的豆雨辰副教授合作，通过时效-孪生（AT）法成功将AZ31镁合金中基面析出的盘片状Mg17Al2相调控至柱面分布，使得含柱面析出相的样品较直接时效态含基面析出相样品的压缩屈服强度和断后压缩率分别提高了40 MPa和22%，实现了强度和塑性的同时提高。对于强度的提高，柱面析出相强化贡献了15 MPa，细晶强化对其压缩屈服强度的提高贡献了12 MPa，其余的强化效果应归因于位错强化。而塑性的提高主要归因于柱面滑移与基面滑移的CRSS比值降低，促进了柱面滑移的激活并协调变形。时效-孪生（AT）法简化析出相取向调控工艺，对AZ31镁合金强度的提高和推广应用具有重要意义。

本文系统研究了通过时效-孪生方法来调控析出相取向，结果如图1所示。AZ系镁合金中时效析出的Mg17Al12相通常呈盘片状分布于基体的基面上。沿[0001]α晶带轴观察可见析出相呈盘片状，而沿[10-10]α晶带轴观察时析出相呈板条状，且长轴与(0002)α面平行。与之相反，若Mg17Al12相被调控至柱面分布，则沿[0001]α晶带轴观察时析出相呈板条状，而长轴与某一{10-10}α面平行;而当沿[1010]α晶带轴观察时析出相应呈盘片状分布，如图1a所示。如前所述，由于｛10-12｝拉伸孪晶过程，晶粒取向从c-axis//ND变到c-axis//TD，晶格旋转为86.3°，析出相通常在孪晶边界处具有较小的偏转（<4°）。因此析出相并不完全平行于孪晶区域的柱面。可以得出结论，时效孪生后的样品中盘片状析出相具有惯习面（HPs），其长轴近似平行于孪晶α-Mg基体的{10-10}α柱面之一，在与孪晶边界相互作用期间具有小旋转角（<4°）。因此，AZ31镁合金中的析出相取向从基面改变为柱面。通过后续力学性能测试分析表明，含柱面析出相的样品的压缩屈服强度（CYS）及断后压缩率比含基面析出相样品均有所提高，分别提高了40 MPa和22%，如图2所示。

图 1 (a) 样品AC中析出相与基体取向示意图，样品AC中析出相 (b)-(c) 沿[10-10]α和 (d)-(e) 沿[0001]α入射轴观察到的TEM形貌

图2 时效态样品（A-45°）、时效+孪生态样品（AC-45°）和时效+孪生+退火态样品（ACA-45°）的压缩应力-应变曲线

本文还重点开发了一个综合析出强化与晶界强化的模型来半定量分析本文中含不同取向析出相合金的强化机制，结果如图3所示。无论是含柱面析出相还是基面析出相的合金，其理论屈服强度均随盘片析出相平均直径（D）和晶粒尺寸（d）的减少而增加，同时也随样品基面滑移Schmid因子（SF）的减少而增加。当基面滑移系的Schmid因子（SF）接近于0时，理论屈服强度将极速增加到1000 MPa以上。这是由于其他变形系统将在塑性变形过程中占主导地位。为了比较含有柱面析出相和基面析出相的合金的屈服强度，图3g-i中描述了含有柱面析出相的合金与含有基面析出相的合金的屈服强度比率。结果表明，含柱面析出相合金强度的提升是由于在孪生变形过程后，析出相取向的改变、细化的晶粒尺寸和产生的位错导致的。特别的是，在相同的D、d和SF下，柱面析出相对基面滑移的阻碍作用始终强于基面析出相。

图3 (a)-(c)：含基面析出相合金的屈服强度随D、d和SF的变化而变化的三维曲面图；(d)-(e)：含柱面析出相合金的屈服强度随D、d和SF的变化而变化的三维曲面图。(g)-(i)：以D、d和SF为变量，含柱面析出相的合金与含有基面析出相的合金的屈服强度比率的函数，其中：(a)、(d)和(g)：变量为D和SF；(b)、(e)和(h) 变量是d和SF；(c)、(f)、(i) 变量为d和D

结合模型与力学性能分析，可以推测，盘片状基面析出相对基面滑移的强化效果较差，而盘片状柱面析出相能更加有效的阻碍<a>位错在基面上滑移，从而产生显著的强化效果，其示意图如图4所示。因此，含有柱面析出相的Mg-RE系合金通常较非RE镁合金拥有更高的YS。

图4 基面析出相与柱面析出相阻碍位错滑移示意图

综上所述，本研究采用时效-孪生（AT）法调控AZ31镁合金中析出相的取向，获得沿柱面分布的析出相，且实现了强度与塑性的同时提高，并研究柱面析出相对AZ31镁合金的强化机理，简化后的析出相取向调控工艺对AZ31镁合金强度的提高和推广应用具有重要意义。