单向轧制和交叉轧制对AZ91镁合金微观结构及力学性能的影响

《Journal of Alloys and Compounds》：Effect of unidirectional rolling and cross-rolling on the microstructure and mechanical properties of AZ91 magnesium alloy

AZ91镁合金的交叉轧制与单方向轧制工艺对微观结构和力学性能的影响研究表明，交叉轧制通过促进多滑移带形成和动态再结晶，显著细化晶粒（平均1.76μm），降低基底织构强度至10.95，实现高强度（371.6MPa）与高延展性（8.2%）的协同，最终获得近各向同性板材。

　　

王东晓|王贵桥|李建平|李伟|牛文勇|宋宇

西安交通大学机械工程学院，中国西安 710199

摘要

本研究系统地探讨了传统单向轧制（UR）和交叉轧制（CR）工艺对AZ91镁合金微观组织和力学性能的影响，为开发高性能、接近各向同性的镁合金板材提供了重要见解。采用扫描电子显微镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）和透射电子显微镜（TEM）等技术对镁合金的微观结构进行了分析。研究表明，初次交叉轧制形成了具有多方向滑移带和双峰织构的板材，为后续变形过程中的不连续动态再结晶（DDRX）提供了晶核位点。第二次交叉轧制后，板材获得了平均晶粒尺寸为1.76 μm的细晶组织，其中分布着纳米级沉淀物，再结晶率为73.4%。DDRX显著减弱了基面{0001}//ND织构，使其强度降至最低值10.95，从而实现了接近各向同性的力学性能。最优的RTR加工路线（RD→TD→RD）实现了优异的强度-延展性协同效应：抗拉强度分别为371.6 MPa（RD）和368.0 MPa（TD），屈服强度分别为310.6 MPa（RD）和304.3 MPa（TD），伸长率分别为7.9%（RD）和8.2%（TD）。这种性能提升得益于晶粒细化、沉淀强化以及通过多方向滑移带激活DDRX所实现的织构随机化。值得注意的是，优化的RTR工艺仅使用常规轧制设备即可实现这些性能，无需复杂工序，具有广泛的工业应用潜力，尤其是在需要一致多方向性能的领域。

引言

镁合金具有高比强度、高比刚度、减震性能和环保等优点，已广泛应用于航空航天和新能源领域[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。尽管轧制镁合金板材的力学性能优于铸造合金，但其强烈的基面织构会导致变形过程中的显著各向异性[7]、[8]、[9]、[10]、[11]。为改善这种织构，许多研究聚焦于通过交叉轧制来优化镁合金的微观结构[12]、[13]。沈某[14]通过多次交叉轧制AZ31镁合金提高了不连续动态再结晶的再结晶率。田某[15]通过交叉轧制制备了ME20和Mg-0.6Zr镁合金。研究结果表明，交叉轧制使基面极密度相对于ND轴的倾斜角度很小（仅5°~10°），因此在改变轧制方向时极密度没有显著重新分布。交叉轧制的变形温度也会影响基面织构并改善各向异性。王某[16]发现，在较高温度下进行交叉轧制可促进两相Mg-Li合金的动态再结晶，且随着Li含量的增加，动态再结晶更易发生；同时，变形结构（如剪切带）的消失伴随着基面织构的减弱。韩某[17]通过相邻轧制次之间将板材沿相应纵轴旋转180°并利用交叉剪切变形，成功制备出了具有均匀细晶结构和弱基面织构的Mg-Gd-Y-Zn-Zr稀土镁合金。支某[12]证明交叉轧制促进了动态再结晶，使得AZ31镁合金的微观结构更加均匀，晶粒更细小，基面织构得到改善。因此，交叉轧制对镁合金的织构具有不同程度的有益影响，并能在某些镁合金中促进再结晶。

目前的研究中仍缺乏关于交叉轧制过程中可能从AZ91镁合金中析出的第二相颗粒[18]、[19]、交叉轧制对镁合金中第二相沉淀的影响，以及第二相、再结晶和力学性能之间相互关系的深入探讨[14]、[16]。本文采用常规轧制和三种交叉轧制工艺制备了AZ91镁合金板材，研究了轧制工艺对板材微观结构的影响，旨在减弱基面织构、减小第二相尺寸，从而降低各向异性，制备出高强度、高塑性的接近各向同性的AZ91镁合金板材。

实验步骤

实验在东北大学数字钢铁国家重点实验室的250毫米四辊轧机上进行。考虑到交叉轧制实验的进料要求，将实验材料剪切成120×100×4毫米的矩形样品，共切割了6组每组3~4块镁合金坯料，并确定了坯料的纵向和横向轧制方向以及装炉顺序。

第一阶段轧制后的微观结构

图2展示了RR样品和RT样品的SEM微观形态和元素分布，采集面为第二次轧制后的RD-ND表面。从RR样品的SEM形态和元素分布（图2(a-d)）可以看出，第二相沿RD方向呈线性分布，表明在轧制过程中第二相沿RD方向沉淀。

讨论

本研究系统研究了轧制工艺（UR和CR）对AZ91镁合金微观组织和力学性能的影响，重点探讨了多方向滑移带、不连续动态再结晶（DDRX）、第二相行为和织构弱化之间的内在机制。主要研究结果如下，并与现有文献进行了对比，同时分析了本文的创新之处。

结论

本研究系统研究了单向轧制（UR）和交叉轧制（CR）对AZ91镁合金微观组织和力学性能的影响，旨在开发出接近各向同性的高强度、高塑性的板材。主要结论如下：

• (1)
  第一阶段轧制在RR（UR）和RT（CR）样品中产生了不同的微观结构特征。RR样品表现出单向滑移带和线性分布的大尺寸γ-Al?Mn?第二相

作者贡献声明

王东晓：撰写初稿、数据可视化、软件处理、方法论设计、数据分析、概念构建。王贵桥：实验研究、数据管理。宋宇：撰写与编辑、结果验证、指导工作。牛文勇：数据可视化、结果验证、指导工作。李伟：项目管理、实验研究。李建平：撰写与编辑、资源协调、资金争取、概念构建。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号51274063）、国家重点研发计划（项目编号2017YFB0304100）和西安科学技术青年人才支持计划（项目编号0959202513213）的财政支持。

局限性与未来展望

虽然本研究表明交叉轧制通过晶粒细化和织构随机化有效提高了AZ91合金的强度和延展性，但仍有一些方面需要进一步研究。