Mg-Gd-Y强化双金属复合棒压缩变形机制的研究

《Journal of Magnesium and Alloys》：Investigation of the compressive deformation mechanisms in Mg-Gd-Y strengthened bimetallic composite rods

镁合金复合材料 AZ31/Mg-Gd-Y 的压缩变形行为及其微观机制研究。通过共挤压制备复合材料杆，分析其压缩屈服强度（165 MPa）和压缩强度（357 MPa）优于纯 AZ31（103 MPa 和 339 MPa），并揭示变形机制：AZ31 套筒以 {10-12} 〈-1011〉孪生为主，Mg-Gd-Y 核心以基面滑移为主，界面区域激活非基面滑移。织构演变显示 AZ31 套筒的 (0002) 基面织构因孪生显著增强（23.8 MRD），而复合材料中 Mg-Gd-Y 核心保持随机分布（3.6 MRD）。研究表明 Mg-Gd-Y 核心通过细化晶粒（4.3 μm vs. 9.3 μm）和稀土强化抑制孪生，降低应力集中，协同 AZ31 提升综合力学性能。

　　本研究主要探讨了通过共挤出工艺制备的AZ31/Mg-Gd-Y双金属复合杆在压缩变形行为方面的特性。AZ31是一种常见的镁合金，因其高比强度而被广泛应用于交通运输和军事工业领域，例如汽车座椅框架，以减轻车辆重量并提升能源效率。然而，由于镁合金具有六方密堆积（HCP）晶体结构，其在室温下的可塑性受到滑移系统数量的限制。滑移和孪晶是镁合金的主要塑性变形机制，而基面滑移和张力孪晶因其较低的临界剪切应力（CRSS）成为镁合金在室温下变形的主要方式。然而，张力孪晶的出现往往会降低镁合金的压缩屈服强度。

在本研究中，通过共挤出方法制备的AZ31/Mg-Gd-Y双金属复合杆展现出优异的冶金结合性能，即使在9%的压缩应变下，其界面仍保持完整，未出现裂纹。这表明，较高的挤出温度和较大的共挤出力促进了界面处的原子扩散，从而形成了强而稳定的冶金结合。同时，元素分布图显示，AZ31侧的镁和铝元素含量高于Mg-Gd-Y侧，而Gd和Y元素则相反，这与两种金属的主要化学组成有关。这种界面结构的稳定性对于实现复合材料中两个组分之间的有效载荷传递至关重要，因为良好的界面结合可以确保两种金属在变形过程中协调工作，避免因变形不均而导致的性能下降。

从微观结构和织构的角度来看，AZ31/Mg-Gd-Y复合杆的各个区域表现出不同的变形机制。在压缩过程中，AZ31部分的变形主要由基面〈a〉滑移和{10-12}〈-1011〉张力孪晶共同主导。随着压缩应变的增加，AZ31区域内的{10-12}孪晶数量显著增加，导致晶粒取向发生变化。而Mg-Gd-Y区域则表现出较少的晶粒取向变化，其织构强度保持相对稳定。此外，Mg-Gd-Y部分能够有效抑制AZ31部分中{10-12}孪晶的成核和生长，从而影响AZ31/Mg-Gd-Y复合杆的加工硬化行为。这种抑制作用源于Mg-Gd-Y合金中的稀土元素，它们通过固溶强化和析出强化机制，不仅细化晶粒，还降低了孪晶的活动性，从而改善了材料的整体性能。

从机械性能的角度来看，AZ31/Mg-Gd-Y复合杆在压缩过程中表现出比纯AZ31更高的屈服强度和抗压强度，而两者的延展性则相似。这表明，Mg-Gd-Y的加入显著提升了AZ31复合杆的强度，同时未牺牲其延展性。这种性能的提升主要归因于Mg-Gd-Y合金在压缩过程中对AZ31部分的应变调节作用，从而减少了AZ31部分的应力集中。此外，AZ31/Mg-Gd-Y复合杆的应力-应变曲线呈现出明显的屈服平台，这与镁合金的典型变形行为一致，即由{10-12}孪晶主导的塑性变形。然而，与纯AZ31相比，复合杆的屈服平台更加平缓，这表明Mg-Gd-Y合金的加入能够有效缓解AZ31的屈服行为，从而改善其加工性能。

在变形过程中，AZ31/Mg-Gd-Y复合杆的织构演化和{10-12}孪晶演化表现出显著的区域差异。对于AZ31部分，随着压缩应变的增加，其织构强度显著增强，且晶粒的c轴方向从垂直于挤出方向（ED）逐渐转向平行于ED。这一变化主要由{10-12}孪晶的出现所驱动，因为孪晶可以改变晶粒取向，从而产生织构硬化效应。然而，对于Mg-Gd-Y部分，其织构强度变化较小，且晶粒取向保持相对稳定。这种差异可能与Mg-Gd-Y合金中稀土元素的添加有关，这些元素通过细化晶粒和抑制孪晶的成核和生长，降低了材料的织构强度。

在进一步分析{10-12}孪晶演化时，研究发现，AZ31部分在压缩应变增加到6%时开始出现孪晶，并在应变达到9%时孪晶数量显著增加，形成更厚的孪晶层。相比之下，Mg-Gd-Y部分在压缩应变达到9%时才出现少量孪晶，这说明Mg-Gd-Y合金对AZ31部分的孪晶形成具有明显的抑制作用。这种抑制作用可能与Mg-Gd-Y合金的细晶结构以及第二相的存在有关，因为细晶结构能够有效协调变形，减少应力集中，从而抑制孪晶的成核和生长。此外，Mg-Gd-Y合金中的稀土元素通过固溶强化和析出强化机制，进一步降低了孪晶的活动性。

从界面区域的分析来看，AZ31/Mg-Gd-Y复合杆的界面区域在压缩过程中表现出独特的变形行为。界面处的晶粒取向由AZ31和Mg-Gd-Y共同决定，但主要受基面织构的影响。随着压缩应变的增加，界面区域的孪晶数量和类型逐渐变化，这表明界面区域的变形机制也受到复合杆整体结构的影响。此外，界面区域的位错密度较高，导致位错在界面处积累，从而增强了复合杆的强度。这种现象在其他复合材料中也有所报道，说明界面处的位错行为对材料的整体性能具有重要影响。

在进一步探讨AZ31/Mg-Gd-Y复合杆中{10-12}孪晶的激活机制时，研究发现，不同晶粒激活的孪晶类型和数量存在显著差异。对于AZ31部分，大多数晶粒主要激活一种孪晶类型，而某些晶粒则可能激活多种孪晶类型。这种差异可能与晶粒内部的应变分布不均有关，因为局部应力的不均匀性会导致非Schmid行为的孪晶激活。此外，AZ31部分的孪晶激活程度较低，这可能是由于Mg-Gd-Y合金对AZ31部分的应变调节作用，使其在压缩过程中受到的应力较小，从而抑制了孪晶的成核和生长。

研究还发现，AZ31/Mg-Gd-Y复合杆在压缩过程中表现出不同的加工硬化行为。与纯AZ31相比，复合杆在加工硬化阶段（即第二阶段）的硬化率更高，这可能与{10-12}孪晶的大量出现有关。孪晶的出现不仅改变了晶粒取向，还通过织构硬化增强了材料的强度。然而，当压缩应变达到一定水平后，孪晶的增加趋于饱和，变形机制从张力孪晶转变为位错滑移，这导致了加工硬化率的下降。这种现象在其他镁合金研究中也有报道，说明孪晶在镁合金的变形过程中具有双重作用：在一定范围内增强材料强度，但当孪晶数量过多时，反而会降低材料的延展性。

综上所述，本研究通过系统分析AZ31/Mg-Gd-Y双金属复合杆的压缩变形行为、织构演化和{10-12}孪晶演化，揭示了其在加工过程中表现出的独特性能。这些发现不仅有助于理解镁合金复合材料的变形机制，还为优化其性能提供了理论依据。未来的研究可以进一步探讨不同合金成分对复合材料性能的影响，以及如何通过工艺优化提升其强度和延展性。