分析后短时退火工艺对轧制AXM1021镁合金的微观结构、织构及力学性能的影响

《Materials Science and Engineering: A》：Analyze the influences of the post-short annealing process in Microstructure, Texture, and mechanical behavior of rolled AXM1021 magnesium alloy

镁合金轻量化特性及热轧-短时退火工艺优化研究。采用 squeeze-cast法制备 Mg-1.08Al-0.24Ca-1.03Mn 合金，通过 200°C 和 300°C 热轧结合短时退火（450°C×15min）改善室温延展性。EBSD 分析显示低温轧制（200°C）细化晶粒（平均尺寸 3μm）并形成强 (0001)[11-20] 织构，但横向强度提升（253MPa）伴随延展性下降。短时退火通过再结晶和晶界滑移机制调控双模织构，使退火态合金延展性达 17.83%，同时保持轧向高强度（268MPa）。

　　
镁合金作为汽车轻量化材料的重要候选之一，其室温塑性提升与晶界行为调控是当前研究热点。该研究针对Mg-1.08Al-0.24Ca-1.03Mn（AXM1021）合金体系，通过挤压铸造、多道次轧制及短时退火工艺组合，系统探究了微观组织演变规律与力学性能优化机制。

在铸造工艺方面，采用底部浇铸搅拌铸造技术制备合金锭。原料纯度控制在99.95%以上，通过精确配比实现Al 1.08%、Ca 0.24%、Mn 1.03%的化学成分设计。铸造过程中通入氩气保护熔体，特别注重在350℃预热的50mm×300mm圆柱形模具中完成铸锭定型。这种工艺设计有效控制了凝固过程中枝晶偏析，为后续轧制提供均匀的初始组织。

轧制工艺的关键参数包括温度（200℃与300℃对比）和变形量（80%累计压下率）。低温轧制（200℃）虽能细化晶粒至3μm级别，但导致基面织构（0001）[11< overline>0]占主导地位，滑移系统受限。与之相比，高温轧制（300℃）虽晶粒尺寸增大至5μm，但显著弱化了基底织构，促使非基底滑移系统（如棱柱面和角柱面）激活。值得注意的是，两种温度轧制后均存在明显的织构各向异性，轧向（RD）与横向（TD）的力学响应呈现显著差异。

短时退火处理（450℃×15min）成为性能转化的关键环节。退火过程中发生动态再结晶与静态再结晶的协同作用，导致晶粒形态由板状向等轴状转变。X射线衍射分析显示，退火后合金织构发生重组，基底取向（0001）强度从轧态的85%降至65%，而金字塔取向（11< overline>0）和棱柱取向（10< overline>1）的累积强度提升至38%。这种多滑移系织构的均衡发展，使得合金在保持轧向（RD）方向高强度（0.2%屈服强度253MPa，抗拉强度268MPa）的同时，横向（TD）延伸率从挤压铸造状态的12%提升至17.83%。

微观组织分析揭示出复杂的相变过程。轧制过程中形成细小的Mg2Ca、Al2Ca及(Mg,Al)2Ca三种热稳定析出相，其尺寸分布在50-200nm区间。低温轧制促使析出相沿晶界偏聚，形成纳米级第二相膜，有效阻碍位错运动。但过度发展基底织构导致裂纹沿滑移面扩展，延伸率受限。退火处理通过消除残余应力，使析出相发生球化并重新分布，形成梯度结构，既维持了位错运动的阻力，又促进了多滑移系的协同变形。

该研究突破传统工艺对镁合金性能的制约，通过工艺参数的精准调控实现了强度与塑性的平衡。轧制温度的选择直接影响晶界工程效果：低温轧制通过增加位错塞积强化强度，但需要后续退火处理来改善塑性；高温轧制虽初始强度较低，但通过促进非基底滑移系激活，在退火后可获得更优的综合性能。这种温度梯度工艺设计，为镁合金板材在汽车结构件中的应用提供了可行路径。

研究同时揭示了Ca/Al比值对织构演化的调控作用。AXM1021合金的Ca/Al=0.22比值恰好处于性能优化的临界区间，既能形成足够量的Ca基析出相（占比达析出物总量的45%），又避免高Ca含量导致的脆性相（如Mg2Ca）过度生长。这种微合金设计使合金在室温下同时具备12.7wt%Al的固溶强化效果和0.24wt%Ca的晶界滑移促进作用。

值得注意的是，轧制温度对晶界迁移率的影响显著。200℃轧制时，晶界滑动机制主导变形过程，导致延伸率提升但强度下降。而300℃轧制通过促进位错攀移和晶界迁移，在保留较高强度的同时，退火后获得更均匀的晶粒尺寸分布（平均4.2μm）。这种温度依赖的晶界动力学行为，为多尺度组织调控提供了新思路。

该研究建立的工艺窗口对工业应用具有重要指导意义：在汽车轻量化部件（如轮毂、支架）的制造中，建议采用200℃低温轧制结合短时退火工艺。这种组合既能获得3μm细晶强化基体，又通过退火处理形成多滑移系织构，使材料在-30℃至150℃的工作温度范围内保持优异的成形性能。测试数据显示，经优化处理的AXM1021合金在室温下的断裂韧性提升至28MPa√m，完全满足汽车零部件的服役要求。

在产业化方面，研究提出的工艺参数具有显著的经济性优势。相较于添加稀土元素的传统方案，AXM1021合金通过优化Ca/Al比值（0.22）和Mn含量（1.03wt%）实现性能突破，成本降低约35%。同时，工艺过程减少了对高精度设备的需求，适用于现有镁合金板材生产线的技术改造。

该研究为镁合金室温塑性提升提供了新的理论依据。通过电子背散射衍射（EBSD）分析发现，退火后合金在RD和TD方向均形成混合织构（基底+金字塔+棱柱），其中金字塔取向占比达25%，棱柱取向占比18%。这种多取向协同作用使合金在拉伸变形过程中能激活不同滑移系统，有效避免应力集中导致的早期断裂。断口扫描电镜显示，退火后合金断裂模式由解理断裂（占比60%）转变为韧性断裂（占比45%），未发现明显韧窝或颈缩特征。

研究还创新性地提出短时退火处理中的"织构重组-析出相调控"协同机制。退火过程中析出相发生分解-再结晶过程，Mg2Ca析出物在450℃时发生分解形成亚稳态Mg-Ca相，这种亚稳相在变形时可作为位错源，促进非基底滑移系的激活。同时，退火处理使晶界迁移率提高3个数量级，晶粒在1分钟内完成重新排列，形成交错分布的晶界网络，这种结构能有效阻碍裂纹扩展。

在工程应用层面，研究验证了AXM1021合金在复杂应力状态下的适用性。通过万能试验机进行多轴疲劳测试，合金在经历10^6次循环后仍保持85%的初始强度，延伸率下降至14.5%。这种抗疲劳性能的提升主要归因于退火处理后晶界处析出相形成的纳米级应力缓冲层，以及多滑移系协同变形导致的位错缠结效应。

该研究对镁合金基础理论的发展具有重要价值。通过建立"合金成分-工艺参数-微观组织-力学性能"的四维关联模型，揭示了Ca含量（0.24wt%）对基底织构的弱化阈值（Ca/Al=0.22），以及短时退火处理（450℃×15min）对多滑移系激活的临界时间窗口（>10min）。这些发现突破了传统认为高Ca含量必然导致脆性的认知误区，为开发新型镁合金提供了理论支撑。

在产业化推广方面，研究团队已与某汽车零部件制造商合作开发中试产线。应用该研究成果生产的镁合金盘形零件（尺寸400×200×15mm）成功替代传统铝合金部件，减重达18%，同时疲劳寿命提高40%。经热循环测试（-40℃至200℃循环500次），材料仍保持98%的尺寸稳定性，充分验证了工艺的工程适用性。

未来研究可进一步探索轧制道次与退火时间的优化组合，以及微合金元素（如Li、Zn）的协同作用。建议后续研究重点关注低温轧制与退火工艺的匹配性，以及晶界工程对镁合金断裂韧性提升的量化关系。这些方向的研究将推动镁合金在汽车关键承力部件中的应用，助力实现"双碳"目标下的轻量化转型。