通过使用余弦轮廓模具进行热挤压，调控Mg-1Zn-0.2Ca合金的微观结构及其力学性能

《Materials Today Communications》：Tailoring microstructure and mechanical behavior of Mg-1Zn-0.2Ca alloy through hot extrusion with a cosine-profile die

本研究探讨了400℃下采用余弦型模具进行热挤压对Mg-1Zn-0.2Ca合金显微结构演变、织构发展和力学性能的影响。结果表明，挤压后合金晶粒显著细化，横向截面平均晶粒尺寸为12±2μm，纵向呈现沿挤出方向延伸的晶粒特征。织构分析显示强烈的基底取向，与挤出方向一致。有限元模拟表明边缘区域应变和应变率更高，促进更完全的动态再结晶。力学性能测试显示，挤压合金的屈服强度达110MPa，抗拉强度220MPa，延伸率12%，综合性能优于铸态合金。余弦型模具通过均匀化材料流动和应变分布，有效调控了晶粒细化与织构演变过程，为镁合金轻量化应用提供了新方案。

　　在镁合金的研究中，Mg-Zn-Ca体系因其良好的综合性能而备受关注。该合金不仅具有较高的强度和良好的延展性，而且其组成元素均为生物相容性材料，这使其在生物医学领域具有广泛的应用潜力。然而，由于镁合金本身的延展性较低，以及在热变形过程中微结构演化不均匀，因此在提升其力学性能和加工一致性方面仍面临挑战。为了克服这些限制，研究人员采用了一种结合特定合金成分设计和非传统热挤压模具形状的综合策略，旨在实现更均匀的变形和动态再结晶行为。这项研究是首次系统性地探讨合金设计与挤压模具几何形状协同作用对Mg-Zn-Ca合金的影响，其结果为镁合金的加工优化和性能提升提供了新的思路。

### 材料制备与挤压过程

研究使用的镁合金为Mg-1Zn-0.2Ca（重量百分比），通过永久模具铸造法进行制备。合金的化学成分如表1所示，其中Zn和Ca的比例约为5:1。铸造后的合金被加工成直径为27毫米、高度为60毫米的圆柱形坯料，用于后续的热挤压处理。热挤压过程在400°C的温度下进行，使用计算机控制的东京挤压机，最大载荷为20吨。挤压比设定为5，挤压速度为0.1毫米/秒，以确保足够的变形量和均匀的加工条件。在挤压前，坯料通过三层润滑方式处理：包裹Teflon胶带、喷涂二硫化钼（MoS?）以及涂覆细颗粒石墨粉，以减少摩擦并提高加工效率。挤压完成后，材料在空气中冷却至室温，以避免过快冷却导致的裂纹或其他缺陷。

挤压模具的设计采用了余弦型轮廓，这是基于对材料流动特性和能量消耗的深入理解。余弦型模具能够提供更平滑的变形路径，从而减少死区、速度不连续以及额外的加工能量消耗。模具由H13（DIN 1.2344）工具钢制成，因其具有较高的热稳定性，适用于高温挤压条件。模具的各个部分，包括模具、容器、模腔和冲头，均采用CNC加工技术进行制造，以确保几何精度和表面光洁度。模腔部分使用CK45钢制造，并通过压配方法进行组装，以保证模具的稳定性和加工效率。

### 微结构与织构演化

通过光学显微镜和电子背散射衍射（EBSD）技术，研究人员对挤压前后材料的微结构进行了详细分析。初始铸造状态下的Mg-1Zn-0.2Ca合金呈现出典型的枝晶结构，平均晶粒尺寸为95±6微米。随着挤压过程的进行，晶粒结构显著细化，尤其是在模具出口区域，平均晶粒尺寸降至12±2微米。在横截面中，中心区域的晶粒呈现等轴形态，而边缘区域的晶粒则沿挤压方向被拉长，表明挤压过程中材料在不同位置经历了不同的变形机制。这些变化反映了动态再结晶（DRX）在不同区域的活跃程度。

EBSD分析进一步揭示了材料的织构演化。通过逆极图（IPF）和极图（pole figures），研究发现材料在挤压过程中形成了强烈的基面织构，其方向与挤压轴对齐。在模具入口处，晶粒取向较为随机，而在模具中间和出口处，晶粒取向逐渐趋于一致，特别是在出口区域，晶粒的基面取向达到最强，这表明DRX过程在此区域已接近完成。这些结果表明，挤压过程中施加的应变路径和模具几何形状共同作用，促使晶粒沿特定方向排列，从而形成了独特的织构特征。

### 应变与应变率分布

为了进一步理解挤压过程中的变形机制，研究使用了有限元模拟（FEA）对材料的应变和应变率分布进行了分析。模拟结果表明，挤压过程中材料的应变和应变率在横截面中呈现非均匀分布，边缘区域的应变和应变率显著高于中心区域。这种非均匀性与DRX的程度相关，边缘区域由于较高的应变和应变率，促进了更完全的再结晶，而中心区域则仅经历了部分再结晶。尽管应变和应变率存在差异，但Vickers硬度在横截面中保持了较高的均匀性，这表明微结构的均匀化效应显著。这一现象可能与再结晶和晶粒细化过程共同作用有关，使得不同区域的硬度趋于一致。

在纵向截面中，应变分布呈现出类似的趋势。随着材料沿挤压方向流动，晶粒逐渐拉长，并且在接近模具出口时，晶粒尺寸进一步减小。这一现象与材料在挤压过程中经历的累积应变和再结晶有关。有限元模拟进一步确认了应变和应变率的分布情况，并通过不同模具几何形状的对比分析，验证了余弦型模具在促进均匀应变分布方面的优势。相比于传统的线性模具，余弦型模具能够减少应变梯度，从而提高材料的加工均匀性和最终性能。

### 力学性能提升

热挤压后，Mg-1Zn-0.2Ca合金的力学性能得到了显著改善。通过拉伸试验，研究发现该合金的屈服强度约为110兆帕，抗拉强度达到220兆帕，延伸率约为12%。这些数值表明，挤压不仅提高了材料的强度，还增强了其延展性，使其在结构和生物医学应用中具有更高的潜力。此外，通过拟合Hollomon方程（σ = k·ε?），研究人员还分析了材料的加工硬化行为。挤压后的合金表现出更高的强度系数（k=479 MPa）和适中的加工硬化指数（n=0.25），这表明材料在变形过程中经历了有效的位错储存和再结晶过程，从而提升了其整体性能。

### 挤压模具对性能的影响

与传统模具相比，余弦型模具在促进材料均匀变形和再结晶方面表现出明显的优势。在挤压过程中，余弦型模具能够减少材料流动的不均匀性，从而避免局部过大的变形或应力集中。这种模具设计不仅有助于降低加工负载，还能够提高材料的流动均匀性，减少加工缺陷的发生。此外，余弦型模具的使用使得材料在挤压过程中能够经历更温和的应变路径，从而避免了因剧烈变形导致的晶粒取向紊乱。

通过与文献中其他研究的对比，可以发现该研究的成果在多个方面具有显著优势。例如，Zhang等人研究了Ca含量对Mg-Zn-Ca合金性能的影响，发现适度的Ca含量可以提高延展性，但会降低强度。而Tong等人则发现，较高的挤压速率和挤压比有助于促进再结晶和晶粒细化，从而改善材料的性能。然而，这些研究通常涉及更高的Zn和Ca含量，可能导致加工不稳定性或材料性能的过度变化。相比之下，本研究中使用的Mg-1Zn-0.2Ca合金具有较低的Ca含量，同时通过余弦型模具的优化设计，实现了良好的强度-延展性平衡，避免了因过量合金元素带来的潜在问题。

### 结论与应用前景

综上所述，该研究通过结合特定合金成分设计和余弦型模具几何形状，成功实现了Mg-1Zn-0.2Ca合金的均匀变形和有效再结晶。实验和模拟结果均表明，余弦型模具能够显著改善材料的微结构均匀性，降低应变梯度，并促进晶粒细化和织构控制。这些变化直接导致了材料力学性能的提升，使其在结构和生物医学应用中展现出良好的潜力。

研究还指出，尽管Ca含量较低，但余弦型模具的设计和挤压条件的优化使得该合金能够保持较高的强度和适当的延展性。这表明，通过合理设计加工参数和模具形状，可以有效提升镁合金的性能，而无需依赖高含量的合金元素。此外，该研究的结果还强调了微结构均匀化在提升材料性能中的关键作用，为未来镁合金的加工优化提供了重要的参考。

在生物医学应用中，镁合金因其可降解性和良好的生物相容性而受到重视。然而，其较低的延展性和加工一致性限制了其在实际应用中的推广。本研究通过热挤压工艺和余弦型模具的协同作用，成功克服了这些限制，为镁合金在生物医学领域的应用提供了新的可能性。此外，该研究还为结构材料的开发提供了重要依据，表明通过合理的加工参数和模具设计，可以实现镁合金的性能优化，满足不同应用场景的需求。

总的来说，这项研究不仅揭示了Mg-Zn-Ca合金在热挤压过程中的微结构演化和织构形成机制，还为镁合金的加工优化提供了新的思路。余弦型模具的使用显著提升了材料的均匀性和性能，而合金成分的优化则确保了良好的强度-延展性平衡。这些成果为镁合金在结构和生物医学领域的应用奠定了坚实的基础，同时也为未来镁合金的开发和加工提供了重要的参考价值。