《Materials & Design》：变形镁合金的动态再结晶

镁合金是比强度较高的轻量化材料，因此在运输工业等行业具有广泛的应用前景，但是由于较大的塑性各向异性和滑移系统数量不足的原因，导致镁合金的可成形性不足以适用于多种温度环境。最近的研究表明，可通过晶粒细化和弱化(0002)织构来改善室温下的塑性各向异性和有限的延展性。现有多种热机械加工方法，例如单轴热压缩、轧制、扭转、挤压以及搅拌摩擦加工等已被用于调整镁合金的织构和组织。在热机械加工过程中，晶粒在高温下可能会发生严重的塑性变形和动态再结晶(DRX)。尽管已经对镁合金进行了大量的研究，但是对晶粒尺寸和织构的同时变化对再结晶镁合金力学行为的影响认知仍不透彻。

美国田纳西大学等单位的研究人员探讨了DRX对热机械加工过程中Mg合金晶粒尺寸和织构的变化以及对机械性能的综合影响，对加工变量、晶粒细化和织构进行了系统的研究。相关论文以题为“Dynamic recrystallization of a wrought magnesium alloy: Grain size and texture maps and their application for mechanical behavior predictions”发表在Materials & Design。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.matdes.2021.109562

本研究使用的原料是商用AZ31B镁合金板，轧制板的尺寸为500×100×6.5mm，通过电火花加工成压缩载荷方向(CLD)与TD平行的圆柱试样(直径6mm，高6mm)，下文中，RD、TD、ND、CLD和TLD分别指轧制、横向、法向、压缩载荷和拉伸载荷方向。

对于给定的Zener-Hollomon参数(Z)从1×10⁶至1×10¹⁵s^-1，研究了热压缩过程中由于DRX引起的晶粒细化过程与应变(10-15%)的函数。在Z值高于10¹¹s^-1时出现明显DRX，DRX随应变量增加而增大，但是平均DRX晶粒尺寸并未随应变增加而变化。

当活化能(Q)为164kj/mol时，应力分量(n)为4.5，指数常数(C)为86。显示DRX晶粒尺寸随Z的增加而降低，DRX晶粒尺寸在给定Z值，温度和应变速率的不同组合下都很稳定。

图1 在一定Z值范围内，热压缩过程中微观结构随应变的变化而变化

图2 在热压缩过程中，晶粒尺寸随所施加应变的变化而变化。

(a)观察到的所有晶粒的平均尺寸和应变的关系；(b)平均DRX晶粒尺寸和应变关系；(c)相同Z值下，DRX和应变的关系；(d)Z值为6¹¹和9¹⁴s^-1时的显微组织

图3 加工-晶粒尺寸图

研究了沿TD的压缩过程中的织构变化，在Z值为10⁹s^-1以下时，织构沿ND-TD平面表现出较强(0002)织构的扩散分布；Z值在10⁹-10¹³s^-1之间，主要织构是偏离ND 60°的分量；Z值在10¹⁴s^-1以上时，大部分为非ND织构和扩展孪生织构的组合。

图4 热压缩过程中沿TD方向的织构

图5 50％应变后，温度和应变速率对织构的影响

本研究根据变形模式特定的Hall-Petch关系，通过实验建立晶粒尺寸、织构和Schmid因子关系图，能够设计或预测热机械加工合金的机械性能。该方法还可应用于热加工条件设定或变形成形过程的预测，除了屈服行为外，当与塑性变形原理结合使用时，可以研究Mg合金的塑性变形和硬化。（文：破风）