挤压比诱导的双相Mg-Li-Zn-Y合金微观组织差异与塑性变形行为

《Journal of Magnesium and Alloys》：Extrusion ratio-induced microstructural disparity and plastic deformation behavior in dual-phase Mg-Li-Zn-Y alloys

　　

本研究系统探讨了挤压比对双相Mg-10.16Li-2.63Zn-0.08Y（质量分数，%）合金微观组织和力学性能的影响，并结合粘塑性自洽模型及主导孪生再取向（Visco-plastic Self-consistent modeling incorporating Predominant Twin Reorientation, VPSC-PTR）模拟，定量阐明了α-Mg相与β-Li相的差异变形机制。研究结果表明，提高挤压比能够增强相间变形协调性，并由于变形热效应的增加，显著抑制了α-Mg相中的{1012}拉伸孪生。两相同时表现出显著的微观组织演化差异：α-Mg相仅发生有限的再结晶（再结晶分数仅为约36%），而β-Li相则经历了从部分到完全再结晶的转变，并伴有明显的晶粒长大，这归因于BCC β-Li相中较高的原子扩散率。这些微观组织变化伴随着塑性的显著提升和强度的轻微下降。挤压比为25（E25）的合金实现了最优的塑性，其延伸率（Elongation, EL）达到49.6%，同时保留了适中的强度（屈服强度（Yield Strength, YS）为141 MPa，极限抗拉强度（Ultimate Tensile Strength, UTS）为177 MPa）。塑性的改善主要归因于α-Mg相内孪晶密度的急剧降低，这缓解了孪晶-基体界面不相容性并减轻了应力集中，从而抑制了相内裂纹萌生。VPSC-PTR模拟进一步揭示，塑性变形主要由软质β-Li基体通过{110}<111>滑移（辅以{112}<111>滑移）主导，承担了绝大部分应变，而硬质α-Mg相主要提供承载作用。

论文解读：挤压比诱导的双相Mg-Li-Zn-Y合金微观组织差异与塑性变形行为

研究背景与意义

镁锂（Mg-Li）合金作为目前工程应用最轻的金属结构材料，在航空航天和汽车工业减重领域具有重要潜力。随着锂含量的增加，合金由密排六方（Hexagonal Close-Packed, HCP）单相（α-Mg）向HCP+体心立方（Body-Centered Cubic, BCC）双相，最终转变为BCC单相（β-Li）。这种相变通常伴随着塑性的显著提升，但往往以牺牲强度为代价。双相Mg-Li合金结合了轻质与良好的强塑性平衡，然而其绝对强度仍相对较低。热机械加工（如挤压）是提升其性能的关键手段，但变形程度与力学性能之间并非简单的单调关系，且现有研究多关注整体性能，缺乏对α-Mg与β-Li两相在再结晶、织构演变及界面协调等方面差异化微观组织演化的深入理解。此外，软质BCC β-Li与硬质HCP α-Mg相共存带来的异质结构特性，其变形过程中的不协调性及几何必需位错（Geometrically Necessary Dislocations, GNDs）积累产生的异质变形诱导（Hetero-Deformation Induced, HDI）强化效应机制尚不清晰。因此，西北有色金属研究院的研究人员开展了此项研究，旨在阐明挤压比调控双相Mg-Li合金力学性能的内在机制，为优化挤压工艺实现强塑性协同提升提供理论依据。该研究成果发表于《Journal of Magnesium and Alloys》。

关键技术方法

研究人员制备了名义成分为Mg-10Li-3Zn-0.1Y（实际成分为Mg-10.16Li-2.63Zn-0.08Y，质量分数，%）的铸锭，经均匀化处理后，在200°C下进行挤压比分别为9:1、16:1和25:1的热挤压。采用X射线衍射（XRD）、光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）结合能谱（EDS）和电子背散射衍射（EBSD）、透射电子显微镜（TEM）等手段表征了合金的相组成、微观组织和织构演变。通过室温拉伸试验评估力学性能。此外，研究引入了粘塑性自洽模型及主导孪生再取向（VPSC-PTR）模拟，定量分析α-Mg相和β-Li相的滑移与孪生活动及其对塑性变形的贡献。

研究结果

3.1 微观组织表征

铸态合金由不规则块状的α-Mg相（亮衬度）和β-Li相（暗衬度）组成，面积分数分别约为37%和63%。SEM和TEM观察发现，两种基体相中均匀分布着富Y的Mg₂₄Y₅相以及纳米级的MgLiZn和MgLi₂Zn析出相。挤压后，α-Mg和β-Li相呈典型的层片状交替排列。随着挤压比增加，未破碎的α-Mg区域减少，β-Li相的平均晶粒尺寸逐渐增大（从E9的~5.1 μm增至E25的~9.5 μm），且动态再结晶（Dynamic Recrystallization, DRX）更完全。TEM显示，高挤压比下α-Mg相中出现亚晶粒，且MgLiZn析出相更细小。

3.2 挤压态合金的力学性能

挤压显著提高了合金强度。随着挤压比增加，屈服强度（YS）和极限抗拉强度（UTS）略有下降（E25的YS为141 MPa，UTS为177 MPa），但延伸率（EL）大幅提升（E25达到49.6%）。E9合金的塑性甚至低于铸态，这与其不均匀变形有关。E25合金实现了强度和塑性的良好平衡。

3.3 铸态和挤压态合金的断裂形貌

铸态合金呈现混合断裂模式，α-Mg相为解理断裂并伴有微裂纹，β-Li相为韧窝断裂。挤压态合金均表现为韧性断裂，随着挤压比增加，韧窝尺寸从粗大变得细小致密。E9合金的α-Mg相内观察到微裂纹，而E16和E25中则消失，表明高挤压比改善了变形均匀性，抑制了裂纹萌生。

3.4 塑性变形的VPSC模拟

VPSC-PTR模拟与实验应力-应变曲线吻合良好。模拟表明，β-Li相的流变应力远低于α-Mg相，变形主要由β-Li相的{110}<111>滑移主导（相对活动度0.6~0.7），辅以{112}<111>滑移；而α-Mg相的滑移/孪生活动受到抑制（相对活动度<0.1），主要起承载作用。在单一α-Mg相模拟中，变形则以棱柱面滑移为主，这与TEM观察到的型位错主导一致。

讨论与结论

4.1 挤压过程中的微观组织演变

高挤压比导致的剧烈塑性变形和摩擦产生更多变形热，促进了β-Li相的动态再结晶和晶粒长大，其织构也从Goss织构逐渐演变为γ-纤维织构，最终转变为ε-纤维织构。对于α-Mg相，高温升促进了非基面滑移的激活，从而显著抑制了{1012}拉伸孪生。两相微观组织演变的差异主要归因于BCC β-Li相比HCP α-Mg相具有更高的原子扩散率，使得前者更容易发生再结晶和晶粒长大。

4.2 挤压态合金的力学性能

塑性提升的关键在于α-Mg相中孪晶密度的大幅降低。低挤压比下，孪晶（软取向）与基体（硬取向）之间存在施密特因子（Schmid Factor, SF）错配，且孪晶-基体界面在基面和棱柱面滑移上的几何相容因子（m'）普遍低于0.5，导致严重的界面不相容和应变局部化，成为裂纹萌生源。高挤压比消除了孪晶，减少了这种不相容性，从而抑制了相内裂纹，提升了塑性。强度的轻微下降则源于β-Li相晶粒粗化减弱了Hall-Petch强化，以及α-Mg相中孪晶界密度降低和织构弱化。

结论

研究人员通过系统研究得出以下主要结论：

1. 1.
   提高挤压比促进了α-Mg与β-Li相间的变形均匀化，并通过增加变形热显著抑制了α-Mg相中的{1012}拉伸孪生。
2. 2.
   随着挤压比增加，两相微观组织演变出现分化：α-Mg相仅发生有限再结晶（再结晶分数从18%增至36%），而β-Li相则从部分再结晶过渡到完全再结晶，并伴随明显的晶粒长大。这种差异归因于BCC β-Li相比HCP α-Mg相具有更高的原子扩散率。
3. 3.
   合金塑性随挤压比增加而显著提升，强度略有下降。挤压比为25的合金实现了最优塑性（延伸率49.6%），同时保持适中强度（屈服强度141 MPa，极限抗拉强度177 MPa）。这主要归功于α-Mg相内孪晶密度的大幅降低，缓解了孪晶-基体界面不相容性，减轻了应力集中，从而抑制了相内裂纹萌生。
4. 4.
   VPSC-PTR模拟表明，挤压态合金的塑性变形主要由软质β-Li基体通过{110}<111>滑移（辅以{112}<111>滑移）主导，承担了大部分应变；而硬质α-Mg相主要提供承载作用。