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镁合金顶刊《Journal of Magnesium and Alloys》异质组织演化对挤压AZ31B合金拉伸和断裂韧性的影响

材料学网 · 公众号 · · 2024-11-29 20:27

正文

导读 : 本研究旨在研究挤压温度对 AZ31B 合金非均相组织和力学性能发展的影响，重点研究它们对 AZ31B 合金断裂韧性的影响。在 523 ~ 723 K 的温度下，采用热 / 热挤压法制备了具有高强度和合理断裂韧性的 AZ31B （ Mg-3wt%Al-1wt%Zn ）镁合金。在 523 K 下挤压的 AZ31B 合金，双模晶化为具有高核平均取向偏差（ KAM ）值的粗加工晶粒和具有中等 KAM 值的细小动态再结晶（ DRXed ）晶粒（ < 10 μ m ）。 523k 挤压合金的抗拉屈服强度为 ~ 280 MPa ，断裂韧性 KJIC 为 ~ 26 MPa · m ^1/2 。相反， 723 k 挤压 AZ31B 合金的三模态晶形为少量加工晶、细小 DRXed 晶和较低 KAM 值的粗 DRXed 晶（ bbb10 μ m ）。 723 k - 挤压合金的抗拉屈服强度较低，但由于裂纹扩展的高能量耗散，其 KJIC 值高达 ~ 36 MPa · m ^1/2 。

镁合金由于其低密度，在汽车、飞机和航空航天等工业中作为轻质结构金属材料具有极好的潜力。铝是镁合金必不可少的合金元素之一。目前，有几种镁合金，如 Mg-Al - Zn （ AZ ）、 Mg- Al - Si （ AS ）和 Mg-Al - Mn （ AM ）商业上可用。其中， AZ 系列合金因其优异的机械性能、浇注性和耐腐蚀性而得到广泛应用。 AZ31 合金通常用于轧制或挤压条件下的板、管和棒材。然而， 为了扩大其作为结构材料的应用，必须对其断裂韧性和拉伸性能进行评估和改进。 断裂韧性作为材料抗裂纹扩展的参数，在结构部件设计中具有重要意义。

最近的研究表明，由 DRXed 和加工晶粒组成的双峰 / 多峰组织通过加工晶粒促进裂纹挠曲和二次开裂效应，从而提高了镁合金的断裂韧性 。然而，这些与断裂韧性相关的研究仅对含有长周期有序堆积相（ LPSO ）的合金进行了研究，而不含 LPSO 相的合金的断裂韧性尚未得到很好的理解。最近对 Mg ₉₇ Zn ₁ Y ₂ 、 Mg _99.8 Zn _0.2 Y _0.6 和 AZ31 合金在拉伸试验中的原位中子衍射实验表明，即使在由 DRXed 和加工晶粒组成的微观组织中，有和没有 LPSO 相的合金的变形行为也有显著差异。与 AZ31 合金相比， LPSO 纳米片的存在是 LPSO 型 Mg-Zn-Y 合金在拉伸过程中加工晶粒应力增大和 DRXed 晶粒孪晶抑制的主要原因。进一步指出了多相组织的重要性，提出了通过各向异性力学性能诱导延化（ AMID ）来提高力学性能的机理。因此，单相 AZ31 合金的断裂韧性行为也可能与先前讨论的 LPSO 型合金不同 。

本研究的 主要目的是阐明挤压 AZ31 合金的异相组织与断裂韧性之间的关系 ，重点研究孪晶对断裂韧性的影响。 熊本大学 Soya Nishimoto 团队通过改变挤压温度控制挤压后 AZ31 合金的非均相组织，研究了非均相组织演变对合金力学性能的影响。首先根据晶粒尺寸和晶粒内部应变对其微观组织进行了分析，并将其划分为加工晶、细 DRXed 晶和粗 DRXed 晶三个区域。随后，研究了各组成区域在断裂韧性过程中的变形行为，重点研究了 位错和孪生活性，阐明各组成区域在断裂韧性中的作用 。

fracture toughness properties of extruded AZ31B alloys ” 发表在 Journal of Magnesium and Alloys 上

链接： https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2213956724003335

图 1 1/3 CT 标本的尺寸。

图 2 AZ31B 合金在 (a) 523 K 、 (b) 623 K 和 (c) 723 K 下挤压的光学显微照片。

图 2 为挤压后 AZ31B 合金纵剖面的光学显微图。合金的显微组织为双峰型，由两个区域组成： DRXed 晶粒和加工（未再结晶）晶粒。随着挤压温度的升高， DRXed 晶粒的面积分数增大，而加工晶粒的面积分数减小。 523 K- 、 623 K- 和 723 K- 挤压合金中 DRXed 晶粒的面积分数分别约为 63% 、 72% 和 92% 。随着挤压温度的升高， DRXed 晶粒呈等轴晶粒，晶粒尺寸从 ~ 3.5 μ m 增大到 ~ 30 μ m 。然而，加工晶粒沿挤压方向拉长，其形状与挤压温度有关。 523 k 挤压合金的加工晶粒粗大，呈针状，高度分散。相比之下， 723 k 挤压合金中很少有加工晶粒在挤压方向上拉长；然而，它们在垂直于挤压方向上变厚。 623 k 挤压合金的加工晶粒表现出这两种特征。随着挤压温度的升高，加工晶粒的厚度从 ~ 15 μ m 增加到 ~ 40 μ m 。

图 3 （ a, c ）在（ a, d ） 523 K 、（ b, e ） 623 K 和（ c, f ） 723 K 下挤压 AZ31B 合金纵向截面的 IPF 图和（ d-f ）极形图。

图 4 在 (a) 523 K, (b) 623 K 和 (c) 723 K 下挤压的 AZ31B 合金的纵向横截面的 KAM 图。

图 4 为挤压 AZ31B 合金的核平均取向偏差（ KAM ）图。在这项研究中， KAM 值被计算为一个数据点与它的第一个邻居之间的平均误差，误差角为 3 °。 KAM 值表示内部塑性应变的大小或几何上必要的位错密度。结果表明，加工过的籽粒和 DRXed 籽粒分别表现出较高和较低的 KAM 值。两种晶粒的 KAM 值均与挤压温度有关。低温挤压下的 DRXed 晶粒具有较高的 KAM 值，高温挤压下的 DRXed 晶粒具有较低的 KAM 值。在加工晶粒中，针状晶粒具有较高的 KAM 值，而较大和较厚的晶粒具有相对较低的 KAM 值，特别是在晶粒内部。