塑性變形工藝在變形鎂合金晶粒細(xì)化中的應(yīng)用

張迪，林濤，周吉學(xué)，趙忠魁，劉運(yùn)騰

(1.山東建筑大學(xué)，山東 濟(jì)南 250101；2.山東省輕質(zhì)高強(qiáng)金屬材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(籌)，山東省科學(xué)院新材料研究所，山東 濟(jì)南 250014；3.山東省汽車輕量化鎂合金材料工程技術(shù)研究中心，山東省科學(xué)院新材料研究所，山東 濟(jì)南 250014)

【新材料】

塑性變形工藝在變形鎂合金晶粒細(xì)化中的應(yīng)用

張迪1,2，林濤2,3，周吉學(xué)2,3，趙忠魁1，劉運(yùn)騰2*

(1.山東建筑大學(xué)，山東 濟(jì)南 250101；2.山東省輕質(zhì)高強(qiáng)金屬材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(籌)，山東省科學(xué)院新材料研究所，山東 濟(jì)南 250014；3.山東省汽車輕量化鎂合金材料工程技術(shù)研究中心，山東省科學(xué)院新材料研究所，山東 濟(jì)南 250014)

綜述了熱擠壓、軋制、大塑性變形擠壓等不同塑性變形工藝在變形鎂合金晶粒細(xì)化中的應(yīng)用研究進(jìn)展，認(rèn)為目前變形鎂合金發(fā)展的主要瓶頸是低加工速率導(dǎo)致相關(guān)產(chǎn)品的成本居高不下，未來將通過大尺寸半連續(xù)鑄錠的多外場晶粒細(xì)化和細(xì)晶鎂合金快速加工技術(shù)等予以解決。

鎂合金；塑性變形工藝；晶粒細(xì)化；機(jī)理

鎂合金作為一種優(yōu)質(zhì)的結(jié)構(gòu)材料，具有比重輕、比強(qiáng)度和比剛度高、阻尼減振降噪能力強(qiáng)、電磁屏蔽性和阻尼性能優(yōu)異、導(dǎo)熱性良好以及尺寸穩(wěn)定性強(qiáng)、易于回收利用、無污染、資源豐富等一系列優(yōu)點(diǎn)，是減重節(jié)能、保護(hù)環(huán)境的首選材料，被譽(yù)為“21世紀(jì)的綠色工程材料”，廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車、電子、通訊和兵器制造等行業(yè)[1]。

鎂合金按加工方式可以分為變形鎂合金和鑄造鎂合金。變形鎂合金是指可以用擠壓、軋制或鍛造等塑性成形方法加工的鎂合金，與鑄造鎂合金相比，具有更好的塑性成形能力。變形鎂合金根據(jù)能否進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，可以分為可熱處理和不可熱處理強(qiáng)化變形鎂合金兩大類?？蔁崽幚韽?qiáng)化變形鎂合金有MB7(AZ80)、MB15(ZK60)等，不可熱處理強(qiáng)化的變形鎂合金有MB1、MB2(AZ31)、MB3、MB5(AZ61)和MB8等。根據(jù)合金化學(xué)成分分類，主要可分為Mg-Al系、Mg-Zn系、Mg-Mn系、Mg-Li系和Mg-RE系等。

變形鎂合金具有的優(yōu)越性能和巨大發(fā)展?jié)摿σ鹆藝鴥?nèi)外的高度重視，如何進(jìn)一步提高鎂合金的塑性，降低鎂合金的生產(chǎn)成本已成為當(dāng)前鎂合金研究領(lǐng)域亟待解決的問題之一。目前解決此類問題的方法包括合金化改性、弱化鎂合金的基面織構(gòu)以及晶粒細(xì)化等[2]。根據(jù)Hall-Petch公式[3-4]，晶粒細(xì)化可以同時(shí)提高材料的塑性和強(qiáng)度，因而與變形鎂合金晶粒細(xì)化有關(guān)的成形工藝及理論成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。本文對塑化變形工藝在變形鎂合金晶粒細(xì)化中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，指出了變形鎂合金晶粒細(xì)化發(fā)展面臨的問題及未來的發(fā)展方向。

1 變形鎂合金的結(jié)構(gòu)及變形特性

圖1 鎂的晶體結(jié)構(gòu)及滑移系示意圖Fig.1 Schematic diagram of magnesium crystal structure and slip system

2 鎂合金晶粒細(xì)化機(jī)理及方法

2.1 細(xì)化機(jī)理

在室溫條件下，晶粒細(xì)化對鎂合金性能的影響主要體現(xiàn)在：(1)提高力學(xué)性能及塑性變形能力；(2)減少熱裂和縮松等缺陷；(3)改善鎂合金的耐腐蝕性能和加工性能[10 -12]。在提高鎂合金性能的諸多方法中，細(xì)化晶粒是目前最主要、最有效的方法，尤其對于不可熱處理的強(qiáng)化變形鎂合金，其作用就更為突出。

目前，晶粒細(xì)化方法可以分為物理和化學(xué)兩大類。物理方法包括形變處理細(xì)化法、物理場細(xì)化、快速冷卻法、機(jī)械物理細(xì)化法；化學(xué)方法可分為添加細(xì)化劑法與添加變質(zhì)劑法。其細(xì)化機(jī)理為：

(1)控制過冷度。通過加大過冷度，增加形核率。一般金屬結(jié)晶時(shí)，過冷度越大，晶粒越細(xì)小。

(2)動(dòng)態(tài)晶粒細(xì)化。通過機(jī)械或加外場等方法，加快熔體與冷凝殼的熱交換，破碎結(jié)晶前沿的骨架，產(chǎn)生大量結(jié)晶核，導(dǎo)致晶粒細(xì)化。

(3)變質(zhì)處理。通過向金屬液中添加少量活性物質(zhì)，促進(jìn)晶核形成或改變晶核的生長過程。

(4)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。通過動(dòng)態(tài)再結(jié)晶形成細(xì)小的晶粒組織，其細(xì)化機(jī)制包括晶界弓出形核、粒子促進(jìn)形核和孿晶誘導(dǎo)形核等。

除了形變處理細(xì)化法外的其他方法，主要應(yīng)用于鑄造過程，其細(xì)化晶粒的效果最高能夠達(dá)到幾十微米至十幾微米的級別。只有形變處理方法才能使金屬材料細(xì)化到微米級甚至更小。因此，本文重點(diǎn)闡述不同塑性變形工藝在變形鎂合金晶粒細(xì)化中的應(yīng)用研究進(jìn)展。

2.2 變形工藝對晶粒細(xì)化的影響

目前，鎂合金塑性加工的相關(guān)技術(shù)主要有傳統(tǒng)的擠壓、軋制和近年新興的等通道轉(zhuǎn)角擠壓、往復(fù)擠壓、大比率擠壓等塑性成形工藝。通過這些成形工藝，鎂合金晶粒細(xì)化水平得到了提高，對應(yīng)的力學(xué)性能也得到顯著提升。

2.2.1 熱擠壓

熱擠壓是將金屬材料加熱到再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行擠壓變形的成形技術(shù)，其細(xì)化機(jī)理是合金在擠壓過程中發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶[13]。根據(jù)擠壓件流出方向與施加壓力方向相同與否，擠壓可分為正擠壓和反擠壓。通過熱擠壓獲得的變形鎂合金不僅消除了鑄造缺陷，而且組織均勻、晶粒細(xì)小。

2.2.1.1 正擠壓

通過正擠壓可顯著細(xì)化鎂合金晶粒并提高鎂合金的塑性變形能力。Yang等[14]發(fā)現(xiàn)Mg-6Zn-1Y-1Ce鎂合金在擠壓比為12.8:1條件下，擠壓溫度為340 °C時(shí)，平均晶粒尺寸為3.3 μm，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長率分別為336 MPa、277 MPa、14%；在擠壓溫度為300 °C，平均晶粒尺寸為2.7 μm，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長率分別為376 MPa、327 MPa和9%。這是因?yàn)閿D壓過程中發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，并且由于第二相的釘扎效應(yīng)阻礙了晶粒長大。上述結(jié)果也表明細(xì)化晶粒能夠顯著地提高鎂合金的屈強(qiáng)比(從0.82提高到0.87)。

擠壓后的鎂合金經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚砜蛇M(jìn)一步提高其性能。Mg-8.5Gd-2.3Y-1.8Ag-0.4Zr合金于400 ℃擠壓后經(jīng)T5處理可以得到最優(yōu)的力學(xué)性能，晶粒尺寸約為5.0 μm，硬度、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和斷后伸長率分別達(dá)到129 HV、430 MPa、391 MPa和5.2%[15]。擠壓態(tài)Mg-6Zn-0.5Er合金經(jīng)過峰值時(shí)效處理后具有最佳的拉伸強(qiáng)度，此時(shí)合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別為329 MPa和183 MPa，斷后伸長率為12%[16]。

2.2.1.2 反擠壓

Cheng等[19]研究了反向擠壓對Mg-6Sn合金的組織、織構(gòu)和拉伸性能的影響。研究結(jié)果表明,反向擠壓Mg-6Sn合金的晶粒尺寸、再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)和動(dòng)態(tài)析出第二相體積分?jǐn)?shù)在很大程度上取決于反向擠壓參數(shù)，隨著擠壓速度和初坯料溫度的升高，合金的織構(gòu)強(qiáng)度減弱；Mg-6Sn合金經(jīng)高溫?cái)D壓后的抗拉強(qiáng)度和經(jīng)低溫?cái)D壓后的AZ31合金相當(dāng)，約為260 MPa；經(jīng)低溫?cái)D壓后，合金的平均晶粒尺寸可減小至4.8 μm，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長率可達(dá)到252 MPa、194 MPa和20.5%。

程偉麗等[20]發(fā)現(xiàn)在250 °C下對Mg-8Sn-1Al-1Zn合金進(jìn)行反擠壓可有效細(xì)化鎂合金的晶粒及提高鎂合金的性能，在反擠壓過程中，通過動(dòng)態(tài)再結(jié)晶可將大部分粗大晶粒轉(zhuǎn)變?yōu)槠骄Я３叽鐬?.92 μm的細(xì)小的等軸晶，其室溫抗拉屈服強(qiáng)度和壓縮屈服強(qiáng)度分別可達(dá)285 MPa和260 MPa，合金的拉伸/壓縮屈服點(diǎn)比率R高達(dá)0.91，通過細(xì)化晶粒顯著削弱了鎂合金固有的拉壓不對稱性問題。

從熱擠壓的相關(guān)研究可以看出，合金化的鎂合金采用優(yōu)化的擠壓工藝參數(shù)(擠壓比、擠壓溫度等)，可以通過動(dòng)態(tài)再結(jié)晶機(jī)制獲得組織為微米級的擠壓材。由于合金化的原因，變形鎂合金基體中存在大量第二相，在擠壓過程中其周圍容易產(chǎn)生位錯(cuò)纏結(jié)的高儲(chǔ)能區(qū)，由此產(chǎn)生典型的粒子促進(jìn)形核，新晶粒在第二相釘扎效應(yīng)下長大過程受到抑制從而細(xì)化。晶粒細(xì)化后不僅可以顯著提高變形鎂合金的強(qiáng)度與塑性，提高材料的屈強(qiáng)比，還可以弱化變形鎂合金的基面織構(gòu)，降低材料的拉壓不對稱性。

2.2.2 軋制

軋制是使金屬坯料通過一對旋轉(zhuǎn)軋輥的間隙，因受軋輥的壓縮而截面減小、長度增加的壓力加工方法。熱軋是目前生產(chǎn)鎂合金板材的主要成形技術(shù)，但為了提高鎂合金板材性能還開發(fā)了一些特殊軋制成形技術(shù)，如異步軋制等。

2.2.2.1 熱軋

在鎂合金再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行軋制時(shí)，可通過回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過程形成細(xì)小的新晶粒來提高其塑性成形能力。熱軋對鎂合金晶粒的細(xì)化程度受軋制溫度、變形程度和軋制道次等因素的影響。變形量一定時(shí)，AZ31合金隨軋制溫度的升高，晶粒呈長大趨勢。在330 °C軋制時(shí)，鎂合金具有較好的綜合性能，并且隨道次變形量的加大、軋制道次的增加，鎂合金晶粒呈減小趨勢，在經(jīng)3個(gè)變形量均為40%的道次軋制后，板材的平均晶粒尺寸由原鑄錠的120 μm細(xì)化至3 ～4 μm，硬度值由原鑄錠的23.8 HRA提高到36.5 HRA[21]。

在一定的軋制道次范圍內(nèi)，鎂合金晶粒尺寸隨著軋制道次的增加而減小。AZ31鎂合金經(jīng)過5軋制道次后，晶粒尺寸可減少至約5 μm，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、拉伸斷裂應(yīng)變分別由初始的190 MPa、50 MPa、0.13提高至280 MPa、211 MPa、0.28[22]。ZK60鎂合金經(jīng)6道次軋制后，晶粒尺寸可由鑄態(tài)時(shí)的278 μm細(xì)化至終軋板時(shí)的7.2 μm，其抗拉強(qiáng)度約為307 MPa，屈服強(qiáng)度約為202 MPa，斷后伸長率也提高到21%～25%[23]。

軋制工藝在細(xì)化鎂合金晶粒的同時(shí)還會(huì)引起織構(gòu)的變化。在823 K下對工業(yè)用AZ31鎂合金板材進(jìn)行了約70%壓下量的單道次軋制，剪切帶中再結(jié)晶晶粒尺寸在0.4 ～1 μm之間，晶粒發(fā)生顯著細(xì)化。板材中部的織構(gòu)為基面織構(gòu)，在軋制變形前后織構(gòu)強(qiáng)度未發(fā)生明顯改變；然而，板材表面織構(gòu)經(jīng)過軋制后轉(zhuǎn)變成雙峰織構(gòu)，基面沿板材橫向發(fā)生傾轉(zhuǎn)，雙峰織構(gòu)的相對強(qiáng)度為26.6，明顯高于板材中部織構(gòu)強(qiáng)度8.7，板材表面硬度也高于板材中部的硬度79 HV，為83.5 HV[24]。

2.2.2.2 異步軋制

異步軋制是一種上下工作輥表面線速度不等的新軋制工藝(圖2)。目前，有關(guān)鎂合金異步軋制的研究大都集中在異速比較低的情況(<1.3)，高異速比軋制鮮有涉及。異步軋制不僅能在軋制過程中產(chǎn)生織構(gòu)，而且對鎂合金晶粒細(xì)化具有明顯的效果。在300 °C，上下軋輥速比為1.125時(shí)，對AZ31鎂合金一道次38%壓下率軋制后，可獲得均勻分布的細(xì)小等軸晶粒，平均晶粒直徑可細(xì)化至2.8 μm，抗拉強(qiáng)度為328 MPa，斷后伸長率為26.5%[25]。有實(shí)驗(yàn)證明，適當(dāng)提高軋制異速比和道次壓下率能夠顯著提高異步軋制的細(xì)化能力，其中異速比為1.3時(shí)，細(xì)化晶粒效果最佳；當(dāng)異速比過高時(shí)，軋輥與軋件會(huì)產(chǎn)生相對滑動(dòng)，導(dǎo)致晶粒細(xì)化效果降低。異步軋制具有良好晶粒細(xì)化效果的主要原因是剪切作用提高了鎂合金中孿晶數(shù)量及分布均勻程度，使位錯(cuò)纏結(jié)被“切碎”，畸變能得以更均勻地分布于變形體內(nèi)[26]。

從變形鎂合金軋制的相關(guān)研究可以看出，研究材料主要集中在商用牌號AZ31和ZK60，經(jīng)過優(yōu)化的道次壓下量、軋制溫度和異速比等工藝控制，軋板組織也可以細(xì)化到微米級。軋制變形過程中的剪切作用導(dǎo)致孿晶的開動(dòng)，由此產(chǎn)生了典型的孿晶誘導(dǎo)形核的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，由于合金中第二相相對較少，無法對晶粒長大進(jìn)行釘扎，因此，一般通過較低變形溫度來限制晶粒長大。晶粒細(xì)化后鎂合金板材的基面織構(gòu)得到不同程度的弱化，進(jìn)而提高了板材的強(qiáng)度與塑性。

圖2 異步軋制示意圖[27]Fig.2 Schematic diagram of asynchronous rolling

2.2.3 大塑性變形擠壓

大塑性變形擠壓是指材料處于較低的溫度環(huán)境中，在大的外部應(yīng)力作用下發(fā)生劇烈塑性變形，從而將材料的晶粒尺寸細(xì)化至微米、亞微米或更小尺寸的一種工藝。近年來新出現(xiàn)的大塑性變形擠壓成形技術(shù)有往復(fù)擠壓、等通道轉(zhuǎn)角擠壓(ECAP)、大比率擠壓等，經(jīng)過技術(shù)的不斷完善，逐步成為鎂合金塑性成形研究的熱點(diǎn)。

2.2.3.1 往復(fù)擠壓

往復(fù)擠壓是一種集擠壓和墩粗于一體的大塑性變形工藝，可以有效細(xì)化鎂合金晶粒。Wang等[28]通過往復(fù)擠壓變形來細(xì)化AM60B鎂合金的組織，發(fā)現(xiàn)隨著往復(fù)擠壓道次的增加，組織得到明顯細(xì)化；但是晶粒細(xì)化到一定的程度后，進(jìn)一步擠壓變形也很難使組織得到明顯的細(xì)化。經(jīng)二道次變形后，合金的硬度、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和斷后伸長率分別可由鑄態(tài)的62.3 HB、201 MPa、64 MPa和11%提高至72.2 HB、286.3 MPa、183.7 MPa和14%；經(jīng)四道次擠壓變形后，其硬度、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和斷后伸長率分別可達(dá)73.5 HB、297 MPa、196 MPa和16%。

Mg-4Al-4Si合金經(jīng)過往復(fù)擠壓8道次后，Mg2Si顆粒尺寸可由鑄態(tài)下的120 μm減小至2 μm，α-Mg基體晶粒尺寸可由鑄態(tài)下的50 μm減小至8 μm。合金的極限抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和斷后伸長率分別由鑄態(tài)的108.8 MPa，72.3 MPa，2.6%提高至251.7 MPa、210.5 MPa和14.8%[29]。通過往復(fù)擠壓可顯著地細(xì)化晶粒， AZ31鎂合金在225 °C經(jīng)過往復(fù)擠壓3道次，能獲得晶粒尺寸為0.62 μm的超細(xì)晶AZ31鎂合金[30]。

2.2.3.2 等通道轉(zhuǎn)角擠壓

等通道轉(zhuǎn)角擠壓又稱等徑角擠壓，是一種利用機(jī)械剪切和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的綜合作用，使傳統(tǒng)的鑄錠均質(zhì)化、細(xì)晶化的新技術(shù)。如圖3所示，該技術(shù)通過采用一種圓角的L形擠壓器，在擠壓時(shí)使原料旋轉(zhuǎn)一定角度，產(chǎn)生很大的切變，將亞晶粒轉(zhuǎn)變?yōu)橐幌盗写蠼嵌染Ы纾瑥亩@得細(xì)晶組織。等通道轉(zhuǎn)角擠壓的晶粒細(xì)化機(jī)制是一種非均勻的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶形核并長大的過程，其中起到關(guān)鍵作用的是孿晶；擠壓過程中動(dòng)態(tài)再結(jié)晶主要是在孿晶界或晶界上形核并長大，從而對原始組織中的大晶粒進(jìn)行了“分割”，形成雙模態(tài)晶粒結(jié)構(gòu)，使晶粒得到細(xì)化[32]。

何運(yùn)斌等[33]發(fā)現(xiàn)ZK60鎂合金的最佳等通道轉(zhuǎn)角擠壓溫度范圍為210～240 °C，在此溫度范圍內(nèi)進(jìn)行等通道轉(zhuǎn)角擠壓能獲得較好的晶粒細(xì)化效果。在240 °C對ZK60合金進(jìn)行4道次等通道轉(zhuǎn)角擠壓后，晶?？杉?xì)化至2.8 μm；但是超過4道次后，合金的細(xì)化效果明顯減弱。通過擠壓的Mg-1Zn-2Nd合金晶粒甚至可以達(dá)到亞微米級別，晶粒直徑細(xì)化至300 ～400 nm，在300 °C時(shí)的斷后伸長率最大為381.8%[34]。Mg-12Gd-3Y-0.5Zr合金在擠壓溫度接近0.5Tm時(shí)，經(jīng)過4道次等通道轉(zhuǎn)角擠擠壓，平均晶粒尺寸也可達(dá)到亞微米級別，為500 nm左右，其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長率分別可達(dá)355 MPa、293 MPa、13.5%[35]。

圖3 等通道轉(zhuǎn)角擠壓示意圖[31]Fig.3 Schematic diagram of ECAP

等通道轉(zhuǎn)角擠壓不可能無限制地細(xì)化晶粒，當(dāng)擠壓到一定道次后，晶粒尺寸會(huì)趨于穩(wěn)定，不再細(xì)化。但是，進(jìn)一步擠壓可以使晶粒大小變得更加均勻。等通道轉(zhuǎn)角擠壓對鎂合金的細(xì)化效果還受合金元素的影響，隨著鎂合金中合金元素含量的增加，擠壓后晶粒相對要小些[36]。

2.2.4 大比率擠壓

大比率擠壓與傳統(tǒng)擠壓不同，其擠壓比遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)擠壓，通常為100∶1。擠壓時(shí)由于擠壓比較大，晶粒會(huì)被拉長以致斷裂成微小的顆粒，晶粒之間的摩擦?xí)M(jìn)一步地加劇破碎過程，而且彌散分布的第二相質(zhì)點(diǎn)也會(huì)阻礙晶粒長大，從而獲得細(xì)小晶粒使組織得到細(xì)化。實(shí)驗(yàn)證明，大比率擠壓對鎂合金晶粒具有明顯的細(xì)化作用，鑄態(tài)坯的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長率分別為86 MPa、24 MPa、4.8%，經(jīng)過一次擠壓后，粗大的鑄態(tài)晶?？杉?xì)化至35 μm，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長率提高至189 MPa、84 MPa、12%；所得棒材經(jīng)再次擠壓，晶粒再次得到細(xì)化，平均晶粒尺寸可達(dá)9 ～10 μm，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長率分為199 MPa、124 MPa、10.7%[37]。

變形鎂合金的大塑性變形，雖然可以通過孿晶誘導(dǎo)形核等動(dòng)態(tài)再結(jié)晶機(jī)制將材料的晶粒尺寸細(xì)化到微米甚至亞微米尺寸，大幅提高材料的強(qiáng)度和塑性，但因變形溫度較低，且低溫變形條件下鎂合金比鋁合金等的變形抗力更強(qiáng)，造成設(shè)備的能耗和對模具的磨損更大，以致于大塑性變形得到的產(chǎn)品尺寸一般較小。這兩方面原因限制了大塑性變形工藝的大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用，因而需要進(jìn)一步開發(fā)新的塑性成形工藝加工細(xì)晶的變形鎂合金產(chǎn)品。

3 存在問題與發(fā)展方向

3.1 存在問題

近年來，變形鎂合金晶粒細(xì)化工作逐漸受到國內(nèi)外學(xué)者的重視，相關(guān)研究取得了大量的研究成果，變形鎂合金產(chǎn)品也開始在汽車、電子等領(lǐng)域得到初步應(yīng)用。然而，由于變形鎂合金的發(fā)展歷史較短，加之鎂合金固有的密排六方結(jié)構(gòu)難以在常溫進(jìn)行塑性加工，現(xiàn)階段的塑性變形工藝及其研究還存在許多不足。

(1)變形鎂合金牌號很少。成熟的變形鎂合金只有十幾個(gè)牌號，主要有Mg-Al-Zn系列、Mg-Zn-Zr系列和Mg-RE系列等，而GBT3190—2008變形鋁及鋁合金化學(xué)成分[38]中鋁合金牌號有273個(gè)，因此，較少的變形鎂合金牌號無法滿足大規(guī)模推廣應(yīng)用的需求，同時(shí)也制約了鎂合金晶粒細(xì)化相關(guān)研究的開展。

(2)缺乏先進(jìn)的低成本、低能耗大直徑鎂合金半連續(xù)鑄錠細(xì)晶技術(shù)。這從變形鎂合金坯料或源頭上制約了后續(xù)擠壓、軋制相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品的研發(fā)。

(3)缺乏高效率、低成本的鎂合金塑性加工技術(shù)。大尺寸、超薄和復(fù)雜鎂合金產(chǎn)品生產(chǎn)成套技術(shù)還不完善。另外，一些現(xiàn)有的晶粒細(xì)化技術(shù)(如等通道轉(zhuǎn)角擠壓等)加工的產(chǎn)品尺寸較小，延緩了細(xì)晶變形鎂合金的大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用。

(4)鎂合金晶粒細(xì)化后二次變形中組織與變形工藝的關(guān)系及相關(guān)變形機(jī)制研究還不深入。尤其是鎂合金晶粒細(xì)化到微米及亞微米尺度時(shí)，相關(guān)變形機(jī)理研究還不多見。

3.2 發(fā)展方向

隨著變形鎂合金相關(guān)研究的深入開展，鎂合金晶粒細(xì)化工藝及后續(xù)加工技術(shù)將有著更為廣闊的發(fā)展空間。

(1)開發(fā)高強(qiáng)度、高韌性、高塑性的變形鎂合金新牌號，并開展相應(yīng)的強(qiáng)韌化機(jī)理及晶粒細(xì)化組織調(diào)控研究。

(2)開展多外場(電磁場和超聲外場)作用于鎂合金的大尺寸半連續(xù)鑄造技術(shù)研究，加強(qiáng)對熔體凝固過程的控制，獲得比較理想的凝固條件，以達(dá)到從鑄錠階段減小晶粒尺寸、均勻化組織進(jìn)而提高鎂合金力學(xué)性能的目的。

(3)開展不同晶粒度高溫快速成形過程中塑性變形機(jī)理研究。分析微米及亞微米尺度鎂合金晶粒的變形機(jī)理，建立組織、織構(gòu)與力學(xué)性能關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，為細(xì)晶鎂合金熱加工提供理論指導(dǎo)，進(jìn)而提高生產(chǎn)效率、降低成本。

(4)開發(fā)細(xì)晶變形鎂合金快速塑性加工工藝。重點(diǎn)在預(yù)變形工藝和等截面多道次重復(fù)變形工藝領(lǐng)域開發(fā)新技術(shù)，開展相關(guān)技術(shù)的變形機(jī)理研究，探討變形過程中組織和織構(gòu)的演變規(guī)律。

(5)開發(fā)大尺寸、薄壁細(xì)晶鎂合金產(chǎn)品生產(chǎn)技術(shù)，拓展變形鎂合金的應(yīng)用領(lǐng)域。開展相應(yīng)加工工藝的有限元模擬，實(shí)現(xiàn)對變形鎂合金細(xì)晶組織與性能的調(diào)控。

[1]徐紹勇, 龍思遠(yuǎn), 曹鳳紅. 熱處理對擠鍛復(fù)合成形AZ61鎂合金組織與性能的影響[J]. 熱加工工藝, 2010, 39(24):199-203.

[2]BETTLES C，BARNETT M. Advances in wrought magnesium alloys[M]. Cambridge,UK:Woodhead Publishing， 2012.

[3]HALL E O. The deformation and ageing of mild steel: iii discussion of results[J]. Proceedings of the Physical Society, Section B， 1951, 64(9):747-753.

[4]PETCH N J. The cleavage strength of polycrystals[J]. J Iron Steel Inst, 1953, 174:25-28.

[5]SONG C J, HAN Q Y, ZHAI Q J. Review of grain refinement methods for as-cast microstructure of magnesium alloy[J]. China Foundry, 2009, 6(2):93-103.

[6]嚴(yán)凱, 孫揚(yáng)善, 白晶,等. ECAP對粗晶AZ31鎂合金的晶粒細(xì)化機(jī)制的影響[J]. 熱加工工藝, 2011, 40(10):70-73.

[7]WANG S R, SONG L H, KANG S, et al. Deformation behavior and microstructure evolution of wrought magnesium alloys[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2013, 26(3):437-447.

[8]應(yīng)韜. ECAP變形對AZ91鎂屑固相成形材料顯微組織與力學(xué)性能的影響[D]. 哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2009.

[9]夏翠芹, 劉平, 任鳳章,等. 細(xì)晶變形鎂合金的研究進(jìn)展[J]. 材料導(dǎo)報(bào), 2006, 20(9):89-92.

[10]萬迪慶, 袁艷平, 周新建. 高強(qiáng)鎂合金組織細(xì)化方法研究現(xiàn)狀[J]. 材料導(dǎo)報(bào), 2015, 29(9):76-80.

[11]李玉娟, 湯愛濤. 鎂合金晶粒細(xì)化的研究進(jìn)展[J]. 材料導(dǎo)報(bào), 2013, 27(17):125-130.

[12]高聲遠(yuǎn), 張志強(qiáng), 樂啟熾,等. MgCO3在AZ31鎂合金中的細(xì)化效果及機(jī)理[J]. 材料科學(xué)與工藝,2011,19(3):49-52.

[13] LEIL T A, HORT N, DIETZEL W, et al. Microstructure and corrosion behavior of Mg-Sn-Ca alloys after extrusion[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2009, 19(1):40-44.

[14] YANG W P, GUO X F. A high strength Mg-6Zn-1Y-1Ce alloy prepared by hot extrusion[J]. Journal of Wuhan University of Technology(Materials Science Edition), 2013, 28(2):389-395.

[15] ZHOU H, WANG Q D, CHEN J, et al. Microstructure and mechanical properties of extruded Mg-8.5Gd-2.3Y-1.8Ag-0.4Zr alloy[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China,2012,22(8):1891-1895.

[16] LIU K , WANG Q F, DU W B, et al. Microstructure and mechanical properties of extruded Mg-6Zn-xEr alloys[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2013, 23(10):2863-2873.

[17] 呂濱江, 彭建, 童小山,等. 擠壓溫度對Mg-2.0Zn-0.3Zr-0.9Y新型鎂合金組織和性能的影響[J]. 稀有金屬材料與工程, 2013, 42(4):841-844.

[18] 梁書錦, 王欣, 劉祖巖,等. AZ31鎂合金不同溫度擠壓后組織性能研究[J]. 稀有金屬材料與工程, 2009, 38(7):1276-1279.

[19] CHENG W L, HUO R, TIAN Q W, et al. Dependence of microstructure, texture and tensile properties on working conditions in indirect-extruded Mg-6Sn alloys[J]. Rare Metal Materials & Engineering, 2015, 44(9):2132-2137.

[20] 程偉麗, 霍瑞, 陸楊婕,等. 超細(xì)晶反擠壓Mg-8Sn-1Al-1Zn合金的組織和性能[J]. 稀有金屬材料與工程, 2014,43(11):2824-2828.

[21] 陳維平, 陳宛德, 詹美燕,等. 軋制溫度和變形量對AZ31鎂合金板材組織和硬度的影響[J]. 特種鑄造及有色合金, 2007, 27(5):338-341.

[22] MIAO Q, HU L X, SUN H F, et al. Grain refining and property improvement of AZ31 Mg alloy by hot rolling[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2009, 19(S2):s326-s330.

[23] WANG X, CHEN W Z, HU L X, et al. Microstructure refining and property improvement of ZK60 magnesium alloy by hot rolling[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2011, 21(S2):s242-s246.

[24] GUO F, ZHANG D F, YANG X S, et al. Microstructure and texture evolution of AZ31 magnesium alloy during large strain hot rolling [J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2015, 25 (1): 14-21.

[25] 丁茹, 王伯健, 任晨輝,等. 異步軋制AZ31鎂合金板材的晶粒細(xì)化及性能[J]. 稀有金屬, 2010, 34(1):34-37.

[26] 孟強(qiáng), 蔡慶伍, 江海濤,等. 異步軋制對AZ31鎂合金靜態(tài)再結(jié)晶及晶粒細(xì)化的影響[J]. 北京科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 33(1):47-52.

[27] 張文玉, 劉先蘭. 異步軋制技術(shù)及其在鎂合金中的應(yīng)用[J]. 鍛壓技術(shù), 2008, 33(2):1-5.

[28] WANG L P, CHEN T, JIANG W Y, et al. Microstructure and mechanical properties of AM60B magnesium alloy prepared by cyclic extrusion compression[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2013, 23 (11):3200-3205.

[29] 宋佩維. 往復(fù)擠壓Mg-4Al-4Si鎂合金的顯微組織與力學(xué)性能[J]. 中國有色金屬學(xué)報(bào), 2012, 22(7):1863-1870.

[30] CHEN Y J, WANG Q D, LIN J B, et al. Grain refinement of magnesium alloys processed by severe plastic deformation[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2014, 24 (12): 3747-3754.

[31] 符韻, 魯美琪, 陳毅挺,等. 等徑道角擠壓工藝對鑄態(tài)AZ91D鎂合金組織的影響[J]. 精密成形工程, 2014,6(5):64-68.

[32] 嚴(yán)凱, 孫揚(yáng)善, 白晶,等. ECAP對粗晶AZ31鎂合金的晶粒細(xì)化機(jī)制的影響[J]. 熱加工工藝, 2011, 40(10):70-73.

[33] 何運(yùn)斌, 潘清林, 劉曉艷,等. ECAP法制備細(xì)晶ZK60鎂合金的微觀組織與力學(xué)性能[J]. 材料工程, 2011(6):32-38.

[34] 李英杰, 張秀芝, 李鋒,等. 等通道轉(zhuǎn)角擠壓Mg-1Zn-2Nd合金的力學(xué)性能[J]. 特種鑄造及有色合金, 2010, 30(5):408-411.

[35] YANG H J , AN X H, SHAO X H, et al. Enhancing strength and ductility of Mg-12Gd-3Y-0.5Zr alloy by forming a bi-ultrafine microstructure[J]. Materials Science and Engineering A, 2011, 528(13/14):4300-4311.

[36] 張金龍,趙西成,謝輝. 鎂合金等徑角擠壓組織細(xì)化及演變機(jī)理[J].西安航空學(xué)院學(xué)報(bào),2014,32(5):30-34.

[37] SUN H F, LI C J, XIE Y, et al. Microstructures and mechanical properties of pure magnesium bars by high ratio extrusion and its subsequent annealing treatment[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2012, 22(12):4667-4677.

[38] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GBT3190—2008變形鋁及鋁合金化學(xué)成分[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

Recent developments in grain refinement through plastic deformation for wrought magnesium alloy

ZHANG Di1,2, LIN Tao2,3,ZHOU Ji-xue2,3, ZHAO Zhong-kui1, LIU Yun-teng2*

(1.Shandong Jianzhu University, Jinan 250101,China ; 2. Shandong Provincial Key Laboratory for High Strength Lightweight Metallic Materials (in preparation), Advanced Materials Institute, Shandong Academy of Sciences，Jinan 250014,China;3. Shandong Engineering Research Center for Lightweight Automobiles Magnesium Alloys, Advanced Materials Institute, Shandong Academy of Sciences，Jinan 250014,China)

∶In this paper, the applications of different various plastic deformation processing, such as hot extrusion, rolling and large plastic deformation, on grain refinement of wrought magnesium alloy were reviewed systematically. The high cost of related products caused by low processing speed has been regarded as one of the main factors limiting the development of wrought magnesium alloys. But in the future, this problem can be solved by semi-continuous casting preparation of large size using multi-outfield and rapid processing of fine grained magnesium alloys.

∶magnesium alloys；wrought；grain refinement；mechanism

2016-07-01

山東省自然科學(xué)基金(ZR2015EQ019)

張迪(1990—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)殒V合金塑性成形。

*通信作者,劉運(yùn)騰(1980—)，男，副研究員，博士，研究方向?yàn)殒V合金塑性成形。E-mail: liu_yunteng@126.com

TG146.2

A

1002-4026(2017)02-0033-08

10.3976/j.issn.1002-4026.2017.01.007