中温轧制对挤压Mg-Al-Ca-Mn合金板材微观组织和力学性能的影响

《Journal of Materials Research and Technology》：The effect of medium-temperature rolling on microstructure and mechanical properties of extruded Mg-Al-Ca-Mn alloy sheets

低合金镁合金中温轧制工艺优化及微观结构演变研究。采用Mg-1.2Al-0.6Ca-0.4Mn合金，在250℃中温条件下实施单道次最大减变量30%，双道次总减量50%工艺。通过多尺度表征发现，晶粒细化至3μm，位错密度提升3个数量级，纳米析出相（Al8Mn5和Al2Ca）体积分数达5.2%，织构强度降低54%。优化后的板材屈服强度271MPa，抗拉强度283MPa，断后延伸率6.6%，实现强度与塑性协同提升。

　　镁合金因其轻质、高强度和良好的加工性能，在现代制造业中扮演着越来越重要的角色。随着全球能源短缺和环境压力的加剧，轻量化材料成为推动可持续发展的关键因素之一。镁合金作为一种绿色材料，因其低密度、高比强度、优良的阻尼性能和电磁屏蔽特性，被广泛应用于交通运输、航空航天及军事工业等领域。然而，传统镁合金在强度与塑性之间的平衡并不理想，且其加工过程复杂、成本较高，这在一定程度上限制了其广泛应用。因此，如何通过优化加工工艺，实现镁合金的高强度与良好塑性相结合，成为当前研究的重点。

在众多方法中，合金化被认为是一种有效提升镁合金性能的途径。特别是低合金化镁合金（合金元素含量低于4 wt.%），因其重量轻、成本低、可回收性好以及良好的加工性能而受到广泛关注。例如，通过添加稀土元素Gd和Y，镁合金的时效强化效果显著，强度明显提高。然而，稀土元素的加入会显著增加材料的使用成本，因此，寻找替代的低成本元素（如Ca、Mn等）成为开发高性能低合金镁合金的重要方向。研究表明，添加Mn元素能够促进G.P.区的形成，从而产生显著的时效强化效果，使镁合金成为具有低稀土特性的高性能锻造材料的候选材料之一。

为了进一步提升镁合金的性能，除了合金化，微结构控制也是关键策略之一。传统的热轧工艺通常需要在300°C以上的温度下进行，且需要多次小变形轧制，配合多个中间高温退火步骤，以实现材料的强化和塑性提升。然而，这种高温度工艺可能导致晶粒粗化，进而影响材料的力学性能。相比之下，中低温轧制可能是一种更为合理的加工方式。例如，研究发现，在中低温条件下，单次轧制的变形量可达30%，同时避免边裂现象的发生。此外，中低温轧制还能有效细化晶粒，提高残余位错密度，并促进纳米级第二相的析出，从而增强材料的强度。

本研究针对一种典型的低成本低合金镁合金——Mg-1.2Al-0.6Ca-0.4Mn（wt.%），通过中低温轧制工艺，探讨其微结构演化与力学性能之间的关系。首先，采用低温挤压工艺制备初始板材，随后在250°C的中温条件下进行多道次轧制，总变形量分别达到10%、30%和50%。通过实验，研究团队发现，在中低温条件下，材料的晶粒尺寸显著细化，从初始挤压状态下的约6.7 μm降低至约3.0 μm。同时，随着变形量的增加，残余位错密度也相应提高，促使纳米级Al₈Mn₅相和Al₂Ca相的析出。这些第二相的析出对材料的强化效果显著，它们能够有效阻碍位错运动，从而提高材料的强度。

值得注意的是，随着变形量的增加，材料的基面织构强度也会发生变化。在单次轧制条件下，材料的基面织构强度从初始挤压状态下的约29.7 m.r.d.降低至约5.4 m.r.d.。这一织构的弱化对材料的塑性提升具有积极作用，因为它减少了基面滑移系统的激活难度，从而在一定程度上缓解了材料在变形过程中的脆性倾向。通过多道次轧制并结合中间退火，材料的织构得到进一步调控，晶粒的取向分布变得更加随机，这有助于提高材料的变形协调性，从而改善其塑性表现。

从力学性能来看，随着轧制变形量的增加，材料的屈服强度（YS）和抗拉强度（UTS）显著提升，而断裂延伸率（EL）则相应下降。在总变形量为30%的条件下，材料的YS达到约240 MPa，UTS约为270 MPa，EL下降至约6.2%。而在总变形量为50%的条件下，材料的YS进一步提高至约271 MPa，UTS达到约283 MPa，EL则稳定在约6.6%。这一结果表明，中低温轧制工艺在一定程度上能够实现材料强度与塑性的最佳平衡。

材料的强化机制主要体现在多个方面。首先，晶粒细化通过Hall-Petch效应提高了材料的强度。其次，残余位错的增加增强了位错密度，从而提升了材料的位错强化效果。第三，第二相的析出提供了沉淀强化，特别是纳米级相的大量分布对位错运动和晶界迁移形成了显著的阻碍作用。最后，织构的调控对材料的塑性有重要影响。通过中低温轧制和中间退火，基面织构的强度被有效削弱，这不仅提高了材料的塑性，还改善了其在变形过程中的协调性。

研究还发现，随着变形量的增加，材料的晶粒尺寸逐渐减小，但超过一定限度后，晶粒尺寸的变化趋势趋于稳定。例如，当总变形量达到50%时，材料的平均晶粒尺寸为约3.4 μm，相较于初始挤压状态下的6.7 μm有所减小，但减小幅度不再显著。与此同时，低角度晶界（LAGBs）的比例也发生了变化，从初始挤压状态下的约26.3%增加至约51.2%。这些低角度晶界的存在有助于抑制晶粒的进一步生长，从而维持材料的细晶结构。

此外，通过电子背散射衍射（EBSD）和透射电子显微镜（TEM）等微观结构表征技术，研究团队进一步揭示了材料在不同变形量下的微观结构特征。在单次轧制条件下，材料的晶粒结构呈现明显的变形孪晶特征，而在多道次轧制和中间退火后，晶粒的取向分布变得更加随机，孪晶数量减少，同时纳米级第二相的析出更加均匀。这些结构变化对材料的力学性能产生了深远影响，使其在保持较高强度的同时，具备良好的塑性表现。

综上所述，本研究通过中低温轧制工艺，成功实现了低成本低合金镁合金的高强度与良好塑性的结合。这一成果不仅为镁合金的工业应用提供了理论指导，也为开发高效、经济的镁合金加工工艺奠定了基础。未来，随着材料科学的不断进步，中低温轧制技术有望在更多领域得到应用，推动镁合金在轻量化制造中的进一步发展。