《Journal of Alloys and Compounds》：Effect of Electro-Pulse Annealing on Formability and Microstructural Evolution of AZ31B Magnesium Alloy Wires during Cold Drawing
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AZ31B镁合金线材通过电脉冲退火（EPA）替代传统热处理（CHT），研究显示EPA可在1分钟内显著促进位错运动和再结晶，使延伸率从4%提升至28%，同时降低晶粒取向强度并提高Schmid因子，证明其优异的纹理调控效果。与传统CHT相比，EPA通过非热力学效应实现快速软化和性能优化，且在较低温度下即可完成，为连续生产高强高韧镁合金线材提供了新方法。
孙培珍|范建峰|王斌山|吴文龙|苏迪|张强|董红彪
教育部先进材料界面科学与工程重点实验室，太原理工大学，中国太原 030024
摘要
本研究采用电脉冲退火（EPA）作为传统热处理（CHT）的有效替代方法，用于实现AZ31B镁合金线的中间软化。系统研究了冷拔和退火条件对合金微观结构演变及力学性能的影响。结果表明，EPA能够促进位错运动，加速快速再结晶，并在1分钟内显著提高力学性能。EPA处理后，合金的伸长率从4%增加到28%，基面织构强度从8.26降至5.58，基面滑移的Schmid因子从0.15增加到0.21，表明织构得到了有效改观。相比之下，在相同温度和时间下进行的CHT对微观结构和性能影响甚微。只有当CHT在250℃下进行10分钟时，退火后的AZ31B合金线的微观结构和力学性能才能与EPA处理样品相当，这证实了EPA的非热效应在改善微观结构和性能中的关键作用。总体而言，EPA提供了一种快速、高效且实用的中间退火方法，利用该方法成功制备出了直径为1.00毫米的高强度高延展性AZ31B合金线。
引言
镁合金因其低密度、高比强度以及优异的阻尼性能，在航空航天、汽车工业和电子产品等领域被广泛用于轻量化应用[1]、[2]、[3]、[4]。然而，由于其六方密排（HCP）晶体结构，镁合金的塑性变形能力受到限制，在室温下只有少数滑移系容易激活，这大大限制了其在可变形部件生产中的应用[5]、[6]。由于镁合金中基面滑移的临界分辨剪切应力（CRSS）远低于非基面滑移，因此在变形过程中基面滑移优先激活，塑性变形受到基面织构的显著影响[7]。冷拔是最常见的金属线制备工艺，它会导致晶粒逐渐旋转并形成强烈的纤维织构，{0001}基面沿拉伸方向排列[8]，从而增加材料的各向异性并增加开裂和失效的风险[9]。因此，在冷拔制备镁合金线时，有效的软化处理是必不可少的。
通常通过传统热处理（CHT）进行中间退火以恢复塑性[10]。然而，CHT所需的长处理时间和高温常常导致晶粒异常生长和微观结构不均匀，从而限制了该工艺与快速连续成形工艺的兼容性[11]、[12]。近年来，电脉冲退火（EPA）作为一种有前景的替代方法出现[13]。除了由焦耳热引起的快速升温外，EPA还具有独特的热效应[14]，这些效应可以降低位错运动的激活能，促进再结晶微观结构的形成，并影响晶粒取向和织构演变[15]、[16]。
多项研究表明EPA对金属塑性有益。Jiang等人[17]记录了Mg–9Al–1Zn合金在EPT作用下几秒钟内发生再结晶，从而获得更弱的织构和更高的延展性。类似地，Yuan等人[18]指出EPT调节了AZ31B镁合金片的织构和晶粒尺寸，显著提高了室温下的延展性和成型性。此外，这种延展性提升不仅限于镁合金，在其他金属体系中也有类似现象。例如，Zhang等人[19]发现电脉冲处理通过促进Ni3Nb颗粒的均匀沉淀和细化晶粒结构，显著改善了激光粉末床熔炼Inconel 718的微观结构，使伸长率从19.62%提高到34.35%。Lu等人[20]观察到HAl66-6-3-2铝合金经电脉冲处理后伸长率提高了69.9%，这归因于局部再结晶和取向依赖性织构的形成。Wang等人[21]报告称，电脉冲处理将Ti-6Al-4V合金中的针状α′马氏体转变为包含纳米级β相和孪晶的篮状织构，使伸长率提高了51.8%，达到12.6%。这些研究证实了EPA能够快速改变化学微观结构并提升力学性能。
然而，大多数关于EPA的研究集中在板材和带材上，而对细镁合金线的系统研究仍然有限。特别是，尚未充分探索将EPA作为多道次冷拔过程中的中间退火步骤以实现快速微观结构调控和连续加工的应用。此外，镁合金线的微观结构和力学性能对温度波动非常敏感。尽管EPA能够实现快速微观结构控制，但通常伴随着显著的升温。例如，Sun等人[22]报告称，在EPA处理过程中AZ31B带材的表面温度在43秒内上升到了312℃。Zhu等人[23]也观察到Cu合金在60秒EPA处理后温度上升到了454℃。为克服这些困难，本研究聚焦于AZ31B细线，旨在优化EPA参数，以在远低于传统再结晶温度的条件下实现快速软化和再结晶。我们系统研究了EPA和CHT处理后的镁合金线微观结构演变和力学行为，重点探讨了EPA非热效应驱动的软化机制。此外，还验证了EPA处理后的连续拉伸可行性，成功制备出了直径为1.00毫米的高性能镁合金线。本研究提出了一种快速生产具有优异力学性能细线的新方法。
材料与方法
使用商业AZ31B镁合金线（Al含量3.1 wt.%，Zn含量0.9 wt.%，Mn含量0.4 wt.%，其余为Mg）作为起始材料，直径为2.00毫米。为消除成分偏析和残余应力，材料在300℃下保温2小时进行均匀化处理。随后在室温下进行三道次冷拔，平均速度为4 m/min，将线材直径减至1.70毫米，如图1所示。
微观结构观察
图3展示了AZ31B镁合金线在均匀化退火前后以及多道次冷拔过程中的微观结构演变。如图3a所示，原始线材主要由再结晶晶粒组成。然而，某些区域仍保留与加工方向一致的带状结构，部分晶粒中也可观察到孪晶。这些特征表明存在微观结构不均匀性和残余应力。
讨论
EPA处理后，AZ31B合金线严重变形的结构被新的无应变再结晶晶粒所取代。再结晶过程受到热力学和动力学因素的共同影响[35]。在冷拔过程中，材料中积累了大量位错和内应力，从而产生较高的储能，为再结晶提供了强大的热力学驱动力。然而，在相对较低的温度下，原子迁移率显著降低。
结论
本研究采用多道次冷拔结合电脉冲退火（EPA）对AZ31B镁合金线进行了处理，并将其微观结构演变和力学性能与传统热处理（CHT）的结果进行了系统比较。主要结论如下：
- (1)
EPA处理的AZ31B合金线在室温下表现出优异的强度-延展性协同效应。在90 V的EPA处理下，抗拉强度（UTS）达到320 MPa，而伸长率显著提高。
作者贡献声明
董红彪：资源提供。吴文龙：软件开发。苏迪：数据可视化。张强：写作、审稿与编辑、监督、资金争取。孙培珍：初稿撰写、实验研究、数据管理、概念构思。范建峰：写作、审稿与编辑、监督、资金争取。王斌山：方法学研究。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究部分得到了中央政府地方科技发展引导资金（YDZJSX2024C006）、山西省科技合作与交流项目（202404041101018）以及山西省自然科学基金（202203021221071）的支持。
