合金化对Mg-(Ca, Zn)合金再结晶行为和织构形成的影响

《Journal of Magnesium and Alloys》：The influence of alloying on recrystallization behavior and texture development of Mg-(Ca, Zn) alloys

镁合金中添加Ca和Zn对静态再结晶行为及织构演变的影响

　　
镁合金变形与再结晶行为的微观机制研究

摘要分析
本研究系统考察了Ca和Zn合金化对Mg-2Zn（质量分数）和Mg-0.5Ca（质量分数）双相合金静态再结晶过程中微观结构演变和晶体学织构发展的影响。通过扫描电子显微镜（SEM）原位加热技术结合电子背散射衍射（EBSD）和透射电镜（TEM）分析，揭示了变形孪晶界面对再结晶晶粒形核的主导作用。实验表明，合金元素种类和含量显著影响孪晶类型分布及再结晶行为，进而调控最终织构强度。

实验方法
采用双轴压缩试验制备变形样品，通过溶液处理消除铸造偏析。Mg-2Zn经350℃固溶处理，Mg-0.5Ca经525℃固溶处理，均水淬保留均匀单相组织。通过高速扫描电镜（SEM）原位加热系统（温度控制精度±2℃）实现动态再结晶观察，温度梯度从200℃逐步升至350℃，同步记录EBSD取向信息。GOS（晶粒取向分散度）算法阈值设定为1°，KAM（晶格曲率）值量化局部应变能。通过STEM和TKD（透射Kikuchi衍射）验证EBSD难以解析的孪晶界特征。

关键发现
1. Mg-2Zn变形机制以{10-12}延伸孪生为主（占比70%），形成强基底织构（MRD=15）。孪晶界及界面交点成为再结晶优先形核区，但再结晶晶粒仍保留较高取向一致性（GOS>2°），导致最终织构强度降低幅度有限（MRD=10.5）。

2. Mg-0.5Ca同时激活{10-12}延伸、{10-1}和{10-3}压缩孪生系统，形成60°取向分散的弱化基底织构（MRD=10）。其双孪晶界面（占比30%）和孪晶-晶界三重界面（占比20%）成为主要再结晶源，GOS值控制在1°内，最终织构强度降至5.6 MRD。

3. 再结晶动力学呈现双阶段特征：
- 第一阶段（200-300℃）：高应变能区域（孪晶界/三重界面）驱动形核，产生取向接近孪生系的再结晶晶粒
- 第二阶段（300-350℃）：晶界迁移主导生长，非基底取向晶粒通过吞并变形区扩大占比

微观机制解析
变形行为差异源于合金元素对变形模式的调控：
- Zn偏聚于Mg基体，促进{10-12}延伸孪生（临界分切应力20.6 MPa），形成平行于压缩方向的强基底织构
- Ca通过降低层错能（0.4-0.6 J/m2），激活{10-1}压缩孪生（CRSS=13.5 MPa）和{10-3}双孪生（CRSS=22°），形成多角度取向的变形结构

再结晶形核机制
1. 孪晶界面作为优先形核区：
- 双孪晶界（{10-12}∥{10-3}）因形成高角度晶界（>15°）积累大量位错（TEM观测显示位错密度达101? m?2）
- 孪晶-晶界三重界面（如延伸孪生与原始晶界交汇）形成约15°的晶格畸变带，KAM值达12°（对应局部应变能1.2×10? J/m3）

2. 不同孪生系统的再结晶倾向性：
- Mg-2Zn：延伸孪晶（取向差86.3°）→高取向分散度（GOS=4.5°）→保留强基底织构
- Mg-0.5Ca：压缩孪晶（取向差22°）→低取向分散度（GOS=0.8°）→显著弱化基底织构

织构演变规律
1. 基底织构强度与孪晶类型分布相关：
- Mg-2Zn（延伸孪生主导）：保留90%取向一致的基底织构
- Mg-0.5Ca（压缩+双孪生）：形成60°取向分布带，基底织构强度降低40%

2. 再结晶晶粒取向继承性：
- Mg-2Zn再结晶晶粒保留原孪生系取向（{10-12}→ω=86.3°）
- Mg-0.5Ca出现显著取向重分布（压缩孪生系→ω=30-60°）

3. 晶界迁移动力学：
- 孪晶界迁移速率（Mg-2Zn）：0.8 μm/s@300℃
- 三重界面迁移速率（Mg-0.5Ca）：2.3 μm/s@300℃

微观结构演变
1. Mg-2Zn再结晶特征：
- 形核密度：300℃时达到5×10? nuclei/cm2
- 晶粒尺寸分布：15-50μm（主峰）+50-200μm（亚峰）
- 存在"白斑"现象：局部区域保留未再结晶的变形结构

2. Mg-0.5Ca再结晶特征：
- 形核密度：500℃时达1.2×10? nuclei/cm2
- 晶粒尺寸：50-150μm均匀分布
- "岛状"再结晶结构：新晶粒沿原孪晶界呈定向生长

工业应用启示
1. Zn合金化：适合需要保留高强度基底织构（如镁合金结构件）
2. Ca合金化：通过多类型孪生调控实现：
- 压缩孪生（{10-1}）促进低角度取向分散
- 双孪生（{10-12}∥{10-3}）形成高应变能陷阱
- 孪晶-晶界三重界面提供立体生长通道

3. 再结晶工艺优化：
- Mg-2Zn：200-250℃短时退火（<30min）维持高强度
- Mg-0.5Ca：400-500℃长时间退火（>60min）实现最佳弱化效果

局限性及改进方向
1. 现有研究局限于平面观察，建议开展3D-EBSD研究（如同步辐射X射线衍射）量化晶界曲率对再结晶动力学的贡献
2. 存在未解矛盾：
- Mg-0.5Ca中压缩孪生占比20%却贡献60%织构弱化
- 需要建立合金元素-孪晶类型-取向重分布的定量模型
3. 推荐后续研究方向：
- 纳米级夹杂物（如CaZn团簇）对孪生界面的钉扎效应
- 低温再结晶（<250℃）中孪晶界迁移的激活能分析
- 多尺度织构演化（微米级晶粒与亚结构尺度孪晶的协同作用）

本研究的工程意义在于建立了合金元素-变形模式-再结晶行为的完整链条，为开发低成本高性能镁合金提供了理论支撑。通过调控Ca/Zn配比（0.5Ca-0.5Zn）可在保持足够强度的同时获得优异成型性，这对汽车轻量化部件的工程应用具有重要指导价值。