鎂合金拉壓不對稱性研究

曾志剛

摘 要：鎂合金的拉壓不對稱是限制其應用的一個關鍵因素，從目前的研究來看，加入合金元素尤其是稀土元素來抑制{102}拉伸孿生的產生對降低不對稱性效果較好，細化晶粒也能起到較為顯著的效果。但解決問題的關鍵在于進一步加深對織構與孿生和非基面滑移的關系的認知。出于鎂合金發展的需要，本文綜述了現階段對拉壓不對稱性的認識，闡述了合金元素、晶粒尺寸、加工工藝等因素對鎂合金拉壓不對稱性的影響，指出了在降低拉壓不對稱性方面面臨的不足以及可能的解決途徑。

關鍵詞：拉壓不對稱 織構 孿生 稀土元素 晶粒尺寸

加工工藝

鎂合金具有密度小、比強度和比剛度高、阻尼減震性好、電磁屏蔽效果佳等特點，這使得鎂及其合金在汽車、航空航天、電子器件等領域有著廣泛的潛在應用。Mg為六方最密堆積（HCP）晶體結構，可開動的滑移系統有限，在室溫下成型性較差。常規擠壓和軋制的鎂合金顯示出強烈的基面織構，在該織構處，基底平面主要平行于主要塑性流變方向排列，導致變形能力差和各向異性強[1]，產生明顯的拉伸-壓縮屈服不對稱，這極大程度上限制了鎂合金的應用。

這種不對稱性可以通過幾種方式來改善，如弱化織構、細化晶粒、加入合金元素和熱處理[1，2]。在近期的研究中向鎂及其合金中加入稀土元素（RE）是主流方法之一，如釓（Gd），釔（Y）。稀土元素的加入使得織構弱化，拉壓時變形機制相近而減小拉壓屈服極限的差異，甚至出現反向拉-壓不對稱性。且稀土元素的加入本身就能提高鎂合金的機械性能起到強化作用，所以稀土元素對于改善上述不對稱性有很好的效果。

1 ?拉壓不對稱性機理

材料的機械性能對應于相應的變形機制，目前普遍認為{102}拉伸孿生是具有織構的鎂合金產生拉壓不對稱的主要原因?；?a>滑移和{102}拉伸孿生是鎂合金中最易被激活的變形方式，{102}拉伸孿生被激活所需的臨界應力約為2～28MPa。鎂合金在沿ED/RD方向施加載荷時，拉伸時的主要變形模式是基底滑移非與基底滑移，而壓縮時是基底滑移與孿生。Xiong等人發現ZK60在TD方向拉-壓屈服強度幾乎相同，在ED方向表現出明顯的拉-壓不對稱性，ED和TD樣品之間拉伸-壓縮響應的差異源于獨特的孿晶活動，這種孿晶活動與最初的基底織構有著內在的聯系。

2 ?合金元素對拉壓不對稱性的影響

稀土元素在鎂合金中起到弱化織構的作用。鎂合金基面滑移和{102}拉伸孿生最易發生，導致變形時形成強基面織構。Zhang等在鎂基體中加入2.5 at. %的Y，提出了一種有效降低整體變形響應中的拉壓不對稱性，同時保持合金合適強度的方法。相比于基面織構促進了柱面滑移，該織構促進了基面滑移，同時Y的加入使得晶粒細化抑制了壓縮時的{102}孿生活動，因此拉壓時主導變形機制是基面滑移加柱面滑移，從而改善了拉壓不對稱性，而Y添加起到的固溶強化作用保持了合金適當的強度。

鎂合金最常見的強化元素是鋁和鋅，形成了鎂鋁系和鎂鋅系等鎂合金。這兩種合金系力學性能雖較優，但面臨拉壓不對稱的問題。Sang等報道在Mg-Al系中添加錫（Sn）有效降低了拉壓不對稱性。這種降低與Y的添加降低拉壓不對稱性類似，即沉淀相對晶界的釘扎和晶粒的細化導致{102}孿生在壓縮時變得難以激活，提高了壓縮屈服強度。但Sn降低延展性的問題尚需進一步研究，Wang和Shen等[研究了Mg-Sn系合金中加Y的含量對合金室溫延展性的影響，其指出{102}、{101}、{102}-{101}并非影響延展性的主要機制，而細化晶粒、改變織構、高晶界凝聚力等可能是關鍵因素。

3 ?晶粒尺寸對拉壓不對稱性的影響

晶粒尺寸對鎂合金的拉壓不對稱性有顯著影響。目前通常通過粉末冶金（PM）和等通道轉角擠壓（ECAP）等方法制備超細晶金屬材料，但對材料的拉壓不對稱性的研究仍集中在傳統變形鎂合金。C.M.等研究了傳統多晶鎂合金的室溫拉壓不對稱性，其指出較細的晶粒將優先發生基面滑移，且即使存在較強的基面織構時基面滑移也將是變形的主導機制。相比之下，孿生較滑移受晶粒尺寸的影響更為明顯[3]，隨著晶粒的細化，{102}孿生將受到抑制，使得壓縮屈服強度接近甚至超過拉伸屈服強度。故拉壓不對稱的產生最終歸結為拉伸時啟動非基面滑移和壓縮時啟動孿生所需應力不同，要降低這種不對稱，即為要強化孿晶至高于激活棱柱滑移所需的水平。

4 ?加工方式對拉壓不對稱性的影響

鎂合金的拉壓不對稱性將因加工工藝的不同而產生相應的變化。這種變化與基體內部織構的變化，即與晶粒取向的改變有密切聯系。對鎂合金進行擠壓塑性變形時，會形成{0001}中心織構，此時大部分晶粒的{0001}基面與擠壓方向平行，導致在擠壓方向產生拉壓不對稱。

5 ?結語

隨著輕量化的發展，鎂合金拉壓不對稱性的解決將是進一步擴展鎂合金應用的一個關鍵。產生拉壓不對稱的主要原因是{102}拉伸孿生和織構。要解決拉壓不對稱性，一方面要進一步了解孿生與織構、滑移與織構的關系，一方面就在于抑制{102}孿生和弱化織構。研究表明，合金元素中以稀土元素對降低拉壓不對稱性的效果最佳，又以釔的添加最為顯著。而在稀土元素獲得廣泛關注的同時，隨之而來的成本問題又不得不去解決。

除了合金元素，其它因素諸如晶粒尺寸、溫度、沉淀相、加工方式等將會因對滑移和孿生影響的不同而對鎂合金的拉壓不對稱性產生不同影響，但拉壓不對稱性降低的機理仍歸結為抑制{102}孿生和弱化織構。也有報導稱存在2.7的臨界尺寸[3]，使得變形機制發生從孿生向滑移的轉變，這或許為謀求鎂合金高屈服強度條件下的拉壓對稱性提供了一種可能。

參考文獻：

[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