挤压参数对Mg-4(AXMZT)合金微观结构演变和力学性能的影响

《Journal of Alloys and Compounds》：Effect of extrusion parameters on microstructure evolution and mechanical properties of Mg-4(AXMZT) alloy

研究Mg-4(AXMZT)合金热挤压参数（200-350°C，0.2-2mm/s）对显微组织和力学性能的影响，发现低温低速（250°C-0.2mm/s）时强度最优（410MPa），高温高速（350°C-2mm/s）时延展性最佳（>20%）。相比AZ31合金，该低成本合金通过参数优化实现高强度与延展性平衡，适用于轻量化应用。

　　这项研究聚焦于一种新型低成本镁合金——Mg-4(AXMZT)（即Mg-1.4Sn-0.93Zn-0.83Ca-0.67Mn-0.39Al）在不同挤出参数下的微观结构演变和力学性能。该合金的设计旨在通过多元素协同强化策略，在保持较低合金含量的同时实现较高的强度和韧性。研究发现，该合金的总合金含量低于4.5 wt.%，使其在成本方面具有显著优势，同时在性能上超越了传统商业镁合金，如AZ31。这些成果为镁合金在轻量化领域的应用提供了新的可能性。

在研究过程中，研究人员对挤出温度和速度进行了系统性调整，具体包括温度范围为200°C、250°C、300°C和350°C，速度分别为0.2 mm/s、1 mm/s和2 mm/s。实验结果显示，温度高于200°C是实现高质量表面挤出的必要条件。同时，温度和速度这两个参数对合金的再结晶行为有着显著影响。例如，在250°C和0.2 mm/s的条件下，再结晶率几乎为零；而在350°C和2 mm/s的条件下，再结晶率则达到了约94%。此外，平均再结晶晶粒尺寸也随着参数的变化而变化，从1.36 μm增加到2.7 μm。这表明温度和速度的调节能够有效控制晶粒尺寸，从而影响合金的力学性能。

在纹理方面，无论在何种条件下，该合金都表现出基底纤维纹理。然而，挤出速度对纹理减弱的影响更为显著，比温度的作用更直接。这一现象可能与晶粒在变形过程中的重新排列有关。当挤出速度较低时，晶粒之间有更多时间进行相互作用，从而形成更稳定的纹理结构；而当速度较高时，这种相互作用被削弱，导致纹理的减弱。这一结果为优化镁合金的加工参数提供了重要的指导，表明在追求高强度的同时，也需要考虑纹理对材料性能的影响。

在力学性能方面，实验结果显示，随着挤出温度和速度的降低，合金的强度显著提高。例如，在250°C和0.2 mm/s的条件下，该合金的屈服强度达到了410 MPa，抗拉强度达到了414 MPa，这是目前所记录的最高值之一。然而，这种高强度的提升是以牺牲延展性为代价的，此时的延展性仅约为10%。相反，当挤出温度和速度提高时，合金的延展性明显增强，超过20%，但强度有所下降。这种强度与延展性的平衡关系表明，挤出参数的选择需要综合考虑材料的使用需求。例如，在需要高强度的场合，可以选择较低的温度和速度；而在需要良好延展性的应用中，可以选择较高的温度和速度。

研究还探讨了强化机制，发现晶界强化是主导因素，同时还有位错密度和纹理效应的额外贡献。通过调节挤出参数，研究人员能够有效控制晶粒尺寸、再结晶率和纹理分布，从而优化材料的综合性能。例如，在250°C到300°C之间，以及1 mm/s到2 mm/s的速度范围内，该合金的强度和延展性达到了最佳平衡，实现了屈服强度超过280 MPa，延展性超过20%的性能目标。这表明，通过合理选择挤出参数，可以显著提升镁合金的综合性能，使其在轻量化应用中更具竞争力。

与传统商业镁合金相比，Mg-4(AXMZT)合金不仅在力学性能上表现出色，还在成本方面具有明显优势。其主要合金元素包括Al、Ca、Mn、Zn和Sn，这些元素相对便宜，使得该合金的制造成本远低于含有稀土元素或贵金属的合金。同时，该合金的性能提升主要依赖于加工参数的优化，而不是昂贵的合金成分，这进一步增强了其在工业应用中的可行性。例如，在某些需要高强度和良好延展性的应用场景中，Mg-4(AXMZT)合金可以作为AZ31合金的替代品，提供更优的性能和更低的成本。

此外，研究还指出，镁合金的加工参数不仅影响其微观结构，还对材料的力学性能产生深远影响。例如，在不同的挤出温度和速度下，合金的再结晶行为、晶粒尺寸和纹理分布都会发生变化，从而影响其强度和延展性。这种变化可以通过实验数据进行量化分析，为材料设计和加工工艺提供科学依据。例如，在某些情况下，低挤出温度和速度可以促进动态析出，从而提高材料的强度和韧性；而在另一些情况下，高挤出温度和速度则有助于晶粒细化和均匀化，从而改善材料的延展性和塑性。

研究还强调了挤出工艺在镁合金制造中的重要性。尽管近年来出现了许多新型挤出技术，如环形通道角度挤出（ACAE）、不对称剧烈剪切挤出（ASSE）和螺旋扭挤出（STE），这些技术能够实现超细微观结构和显著改善的力学性能，但传统的热挤出工艺仍然是工业生产中最广泛采用的方法。其原因在于，传统热挤出工艺具有操作简便、制造设备成熟和成本低廉等优点。通过调节挤出温度、速度和比值，可以有效控制镁合金的微观结构，从而实现所需的性能目标。

为了进一步验证这些结论，研究人员对实验过程进行了详细描述。实验所用的镁合金锭是通过常规重力铸造工艺获得的。在铸造和均匀化处理过程中，研究人员对工艺参数进行了优化，以确保材料的均匀性和稳定性。随后，这些锭被加工成直径为47 mm、高度为100 mm的圆柱形坯料。在挤出过程中，坯料被加热至特定温度，然后通过挤出模具进行变形。整个挤出过程包括温度调节、速度控制和模具设计等多个方面，这些因素共同影响了材料的微观结构和力学性能。

在研究过程中，研究人员还对原始均匀化后的微观结构进行了分析。原始微观结构由大小不一的等轴晶组成，晶粒尺寸范围在150到710 μm之间。通过扫描电子显微镜（SEM）观察发现，均匀化处理后，材料基体中仍残留大量未溶解的棒状相。此外，还观察到一定数量的亚微米或纳米级细小析出相，这些析出相的存在可能对材料的强度和韧性产生重要影响。这些结果为后续的挤出实验提供了重要的基础，表明原始微观结构的特征对最终性能有着显著影响。

在研究中，研究人员还探讨了挤出参数对微观结构和纹理的影响。通过实验数据可以发现，挤出温度和速度的变化显著影响了再结晶行为和晶粒尺寸。例如，在较低的温度和速度下，再结晶率较低，但晶粒尺寸更小，这可能对材料的强度产生积极影响。而在较高的温度和速度下，再结晶率显著提高，但晶粒尺寸较大，这可能对材料的延展性产生积极作用。这些结果表明，挤出参数的选择需要在强度和延展性之间找到最佳平衡点，以满足不同应用场景的需求。

研究还指出，镁合金的加工参数对材料的纹理分布具有重要影响。例如，在较低的挤出温度和速度下，材料的基底纤维纹理较为稳定，而在较高的温度和速度下，这种纹理被削弱。这种纹理变化可能与晶粒在变形过程中的重新排列有关，同时也可能与位错密度的变化有关。通过调节挤出参数，研究人员能够有效控制材料的纹理分布，从而优化其力学性能。例如，在某些情况下，较低的挤出速度可以促进更均匀的纹理分布，而在另一些情况下，较高的挤出速度则有助于纹理的减弱。

在研究中，研究人员还对不同挤出参数下的力学性能进行了详细测试。测试结果显示，随着挤出温度和速度的降低，合金的强度显著提高，但延展性有所下降。这种强度的提升可能与晶界强化和位错密度的增加有关，而延展性的下降可能与晶粒尺寸的增大有关。相反，随着挤出温度和速度的提高，合金的延展性显著增强，但强度有所下降。这种现象表明，挤出参数的选择需要综合考虑材料的使用需求，以实现最佳的综合性能。

为了进一步优化材料性能，研究人员还探讨了不同挤出参数对合金的强化机制。通过实验数据可以发现，晶界强化是主导因素，而位错密度和纹理效应则提供了额外的贡献。例如，在某些情况下，较低的挤出温度和速度可以促进晶界强化，而在另一些情况下，较高的温度和速度则有助于位错密度的增加。这些结果表明，通过合理选择挤出参数，可以有效提升材料的综合性能，使其在轻量化应用中更具竞争力。

此外，研究还指出，镁合金的加工参数对材料的延展性和塑性具有重要影响。例如，在某些情况下，较低的温度和速度可以促进更小的再结晶晶粒，从而提高材料的强度；而在另一些情况下，较高的温度和速度则有助于晶粒的细化和均匀化，从而改善材料的延伸性。这些结果表明，挤出参数的选择需要在强度和延展性之间找到最佳平衡点，以满足不同应用场景的需求。

通过调节挤出参数，研究人员能够有效控制材料的微观结构和纹理分布，从而优化其力学性能。例如，在某些情况下，较低的温度和速度可以促进更均匀的纹理分布，而在另一些情况下，较高的温度和速度则有助于纹理的减弱。这些结果表明，挤出参数的选择需要在强度和延展性之间找到最佳平衡点，以满足不同应用场景的需求。

在研究中，研究人员还对不同挤出参数下的力学性能进行了详细测试。测试结果显示，随着挤出温度和速度的降低，合金的强度显著提高，但延展性有所下降。这种强度的提升可能与晶界强化和位错密度的增加有关，而延展性的下降可能与晶粒尺寸的增大有关。相反，随着挤出温度和速度的提高，合金的延展性显著增强，但强度有所下降。这种现象表明，挤出参数的选择需要综合考虑材料的使用需求，以实现最佳的综合性能。

为了进一步优化材料性能，研究人员还探讨了不同挤出参数对合金的强化机制。通过实验数据可以发现，晶界强化是主导因素，而位错密度和纹理效应则提供了额外的贡献。例如，在某些情况下，较低的挤出温度和速度可以促进晶界强化，而在另一些情况下，较高的温度和速度则有助于位错密度的增加。这些结果表明，通过合理选择挤出参数，可以有效提升材料的综合性能，使其在轻量化应用中更具竞争力。

研究还指出，镁合金的加工参数对材料的延展性和塑性具有重要影响。例如，在某些情况下，较低的温度和速度可以促进更小的再结晶晶粒，从而提高材料的强度；而在另一些情况下，较高的温度和速度则有助于晶粒的细化和均匀化，从而改善材料的延伸性。这些结果表明，挤出参数的选择需要在强度和延展性之间找到最佳平衡点，以满足不同应用场景的需求。

此外，研究还强调了镁合金在轻量化应用中的潜力。通过优化挤出参数，研究人员能够有效提升材料的综合性能，使其在轻量化应用中具有更高的强度和延展性。例如，在某些情况下，较低的挤出温度和速度可以实现更高的强度，而在另一些情况下，较高的温度和速度则有助于改善延展性。这些结果表明，镁合金在轻量化应用中具有广阔的发展前景，尤其是在需要高强度和良好延展性的场合。

研究还指出，镁合金的加工参数对材料的微观结构和力学性能具有重要影响。例如，在不同的挤出温度和速度下，合金的再结晶行为、晶粒尺寸和纹理分布都会发生变化，从而影响其强度和延展性。这些变化可以通过实验数据进行量化分析，为材料设计和加工工艺提供科学依据。例如，在某些情况下，较低的挤出温度和速度可以促进更小的再结晶晶粒，而在另一些情况下，较高的温度和速度则有助于晶粒的细化和均匀化。这些结果表明，挤出参数的选择需要在强度和延展性之间找到最佳平衡点，以满足不同应用场景的需求。

通过调节挤出参数，研究人员能够有效控制材料的微观结构和纹理分布，从而优化其力学性能。例如，在某些情况下，较低的温度和速度可以促进更均匀的纹理分布，而在另一些情况下，较高的温度和速度则有助于纹理的减弱。这些结果表明，挤出参数的选择需要在强度和延展性之间找到最佳平衡点，以满足不同应用场景的需求。

研究还指出，镁合金的加工参数对材料的延展性和塑性具有重要影响。例如，在某些情况下，较低的温度和速度可以促进更小的再结晶晶粒，从而提高材料的强度；而在另一些情况下，较高的温度和速度则有助于晶粒的细化和均匀化，从而改善材料的延伸性。这些结果表明，挤出参数的选择需要在强度和延展性之间找到最佳平衡点，以满足不同应用场景的需求。

综上所述，这项研究通过对Mg-4(AXMZT)合金在不同挤出参数下的微观结构演变和力学性能的系统性分析，揭示了温度和速度对材料性能的关键影响。研究结果表明，挤出温度和速度的选择不仅影响材料的再结晶行为和晶粒尺寸，还对纹理分布和力学性能产生深远影响。通过合理选择挤出参数，研究人员能够有效提升材料的综合性能，使其在轻量化应用中更具竞争力。这些成果为镁合金的加工和应用提供了重要的理论支持和实践指导，同时也为未来的研究和开发提供了新的思路。