晶粒细化-中南大学刘楚明团队：动态析出与晶粒细化协同提高合金强塑性

镁合金的应用由于力学性能差而受到阻碍，目前很多晶粒细化工艺都不适合大规模工业制造。本文利用多方向锻造方法对Mg-9Al加工，在动态析出强化和细晶强化的共同作用下，提高了合金的强塑性。相比时效而言，可以将时间从几天缩短为几分钟。

镁（Mg）合金由于密度低，在运输行业中可显着减轻重量。然而，镁合金的应用由于力学性能差而受到阻碍，尤其是低强度和低延展性。晶粒细化是一种可以改善强度和延展性的策略，并且已经通过等通道角挤压（ECAP），高压扭转（HTP）等塑性加工和低温压缩或挤压等方法进行细化晶粒。这些工艺虽然能够生产出细晶粒结构，晶粒细化到纳米级。但由于它们的样本量有限和苛刻的加工参数，这些工艺大多数都不适合大规模工业制造。

在本项研究中，中南大学刘楚明团队利用多方向锻造（MDF）方法对Mg-8.8Al-0.47Zn-0.21Mn-0.17Ag（wt%）铸锭进行两轮锻造，每轮6次依次按Z-X-Y-Z-X-Y方向锻造，每道次真应变为0.15。研究了该工艺对合金组织性能的影响。相关论文以题为“Increasing strength and ductility of a Mg–9Al alloy by dynamic precipitation assisted grain refinement during multi-directional forging”发表在Materials Science and Engineering: A。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0921509320302781

为了细化晶粒尺寸，应尽可能充分地完成动态再结晶，因此温度应相对较高，以使晶界的迁移能够轻松进行，这将增加再结晶后晶粒生长的趋势。通过降低温度或边界钉扎颗粒来阻止晶粒生长。因此，在300°C下锻造的样品获得了最佳的晶粒尺寸和最佳的机械性能。该温度显著高于典型的175°C时效温度，由于扩散速率随温度呈指数增长，析出动力学要高得多。另外，还可以通过快速扩散通道的致密晶界来提高动力学。这种高的析出动力学导致大颗粒的快速形成（尤其是在晶界处），有助于阻止晶粒长大并实现细晶粒度的微观结构。

图1反极图，极图（PF），沿Z方向的基体和Schmid因子以及处理后的Mg-9Al样品的晶粒尺寸（a-d）MDF；（e-h）MDF+ 350℃，5min；（i-l）MDF+ 400℃，1h

图2处理过的Mg-9Al样品的SEM显微照片（a-c）MDF；（d-e）MDF+ 350℃，5min；（g-i）MDF+ 400℃，1h

结果表明，在动态析出的作用下，晶粒细化（从175到1.5 µm）强度增强达到了120 MPa。动态析出伴随动态再结晶并抑制晶粒长大，因此通过晶界强化而提高了强度。同时， MDF样品的延展性也显著高于静态时效样品的延展性。MDF样品中的大多数沉淀颗粒呈球形，并位于晶界。由于球形形态比片状形态更能防止裂纹扩展，因此对延展性有益。而且位于晶界处的析出物不能有效地阻止位错在基体中滑动，因此在保持高延展性方面，它们比静态形成的析出物更有益。同时，延展性的提高可以通过剧烈的形态变化和析出物体积分数的降低来解释。

图3（a）Mg-9Al合金的典型拉伸工程应力-应变曲线和综合力学性能；（b）处理样品的Hall-Petch关系

总之，除了改善机械性能，所得的显微组织还为时效硬化镁合金的加工路线提供了新的视角。在常规加工中，变形和时效（静态）通常是分开的。但是，在MDF中，两个处理步骤在MDF中同时完成。并且将产生具有析出物增强的微结构的时间，从几天缩短为几分钟。如果可以将优异的机械性能和制造优势扩展到镁合金的批量生产中，则它们的应用将得到扩展，同时总体制造成本将下降。（文：33）

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