镁合金塑性变形机制的研究进展

第３２卷２００９年

第２期３月

兵器材料科学与工程

０ＲＤＮＡＮＣＥＭＡＴＥＲＩＡＬＳＣＩＥＮＣＥＡＮＤＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ

Ｖ０１．３２Ｎｏ．２

ＭａＬｒ．．２００９

镁合金塑性变形机制的研究进展

曲家惠．岳明凯，刘烨

（沈阳理工大学装备工程学院，辽宁沈阳１１０１６８）

摘要综述镁及镁合金室温塑性变形的滑移和孪生机制的研究进展，总结镁合金塑性变形机制的研究状况。结果表明，

强化孪生、降低ｃ／ａ比值和细化晶粒，能提高变形镁合金的室温塑性。通过对现有研究成果的归纳和总结，指出提高镁合金

塑性变形性能的有效途径。对高性能变形镁合金材料的研制及镁合金加工工艺优化具有指导意义。

关键词镁合金；变形机制；综述；滑移；孪生；晶粒细化中图分类号ＴＧｌ４６．２１

文献标识码Ａ

文章编号１００４—２４４Ｘ（２００９）０２－０１１６—０４

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变形镁合金主要用于加工航天航空、车辆、军工和电子的工业产品。它与铸造镁合金的产品相比，具有更低的成本、更高的强度和延展性，以及更多样化的力学性能。由于镁合金低温下的塑性变形能力差，限制了变形镁合金的广泛应用。而建立镁合金塑性变形机制则是开发新工艺的理论基础。目前限制变形镁合金材料发展的关键因素是对镁及镁合金的塑性变形机理的认识还不够全面和深入。未能建立起完善的塑性变形理论体系，如何从根本上改善镁及镁合金的变形能力，改进现有的塑性变形工艺乃至开发新的塑性变形技术缺乏理论指导。所以。镁合金塑性变形机制的研究和成形工艺的开发已受到国内外材料工作者的高度重视。已经成为世界镁工业发展中的重要发展方向…。

镁合金热加工除变形量大，工艺简单，利于工业化大生产的优点外．也存在着一些不足，如温度过高不利于控制平整度和表面粗糙度，力学性能较低等。而用室温或较低温下加工可以有效克服上述不足，通过控制变形量和退火．可得到尺寸精度高、力学性能好的产品。所以，如何能在较低的温度下获得高质量的变形镁合金产品也是一个研究重点。重点对镁合金塑性变形机制的研究成果进行较全面的总结。

收稿１３期：２００８—０７—１４；修回１３期：２００８一ｌｌ一１０基金项目：总装备部项目（ＢＫ一２００６—１０）

作者简介：曲家惠，男，副教授，博士；主要从事兵器装备材料的研究。联系电话：０２４—２４６８１９１８；Ｅ—ｍａｉｌ：ｑｊｈ９１５＠１６３．ｃｏｍ。

表１

Ｔａｂｌｅ１

１滑移与孪生

镁合金的滑移系主要是基面滑移、柱面滑移和锥面滑移。根据滑移位错的不同，镁合金的滑移系又可分为ａ位错滑移．ｃ位错滑移与ｃ＋ａ位错滑移。表ｌ列出了室温下可能的４种滑移系的滑移面和滑移方向［２１。

室温下变形时，镁及镁合金主要以滑移和孪生的方式进行，以滑移为主，滑移与孪生的协调动作是此温度下塑性变形的一个重要微观特征。更大的变形量的获得主要靠孪生。多晶镁合金在外力作用下发生塑性变形时，会沿滑移面发生滑移，滑移的本质是位错的运

镁及镁合金室温下可能的滑移系㈦

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万方数据　

第２期

曲家惠等：镁合金塑性变形机制的研究进展

１１７

动【３】。晶体开始滑移必须有一定大小的ｌ临界切应力。镁在不同滑移面上的临界切应力与温度有密切关系。在室温下。产生｛０００１｝＜１１－ｏ＞滑移的临界切应力要比棱柱滑移面的临界切应力低一个数量级，因此只有基面

滑移产生。

有相关研究认为纯镁基面滑移的室温ＣＲＳＳ大约

是０．５ＭＰａ。对单晶纯镁来说，基面滑移是最主要的，

也是最容易开动的滑移系［４１。镁合金室温下低塑性的原因是独立的滑移系数目少［５］。根据Ｖｏｎ—Ｍｉｓｅｓ准则，通常认为５个独立的滑移系才能满足多晶体材料协调各晶粒之间的任意变形，而＜ａ＞基面滑移和＜ａ＞柱面滑移总共只能提供４个独立的滑移系．这两种滑移系的组合相当于第一序＜ａ＞锥面滑移［６】。更为重要的是：＜ａ＞锥面滑移和＜ａ＞柱面滑移都是＜ａ＞位错滑移．滑移方向都是平行于基面的＜ｌｌ＿ｏ＞方向。不能够协调Ｃ轴方向的应变．而第二序＜ｃ＋ａ＞锥面滑移能够提供附加的滑移系并能协调Ｃ轴方向的应变，但是由于其ＣＲＳＳ很高［５．７］，在室温下难以激活。

孪生的形成方式主要有两种：一种孪晶是通过晶体成长过程中的形核理论和核心长大而形成的。如在退火时形成的孪晶称为退火孪晶，相变时形成的孪晶称为相变孪晶等：另一种是通过塑性变形而形成的孪晶。称为变形孪晶。

变形孪生是指在切应力作用下，晶体的一部分沿着一定的晶面（称为孪生面）和一定晶向（称为孪生方向）发生均匀切变。孪生变形后，晶体的变形部分与未变形部分构成了镜面对称关系，镜面两侧晶体的相对位向发生了改变。孪生很容易观测到，变形抛光后侵蚀可去除滑移台阶，并能显示晶界以及孪晶与其基体的边界，在扫描电镜下用二次电子像也能很方便的观测到孪晶［引。

有多种孪生模式的原子预测模型。Ｋｉｈｏ、Ｊａｓｗｏｎ和Ｄｏｖｅ提出的最小剪切模型［９１．也就是最小切变准则．认为孪生切变量是重要的孪生发生判据，切变量小的孪生优先发生。在此基础上，Ｂｉｌｂｙ和Ｃｒｏｃｋｅｒ给出更为严格的晶体学取向关系和原子在孪生中的位移关系，提出了Ｂｉｌｂｙ—Ｃｒｏｃｋｅｒ理论［１０】。

对于ＨＣＰ结构的金属和合金，变形孪生是重要的晶内变形机制［１１－１３】。在室温下，镁合金的塑性变形依赖于滑移和孪生的协调作用，并且根据材料微观组织和变形条件的不同，二者对塑性变形的贡献也不一样。作为密排六方金属两种主要的塑性变形方式，滑移和孪生变形既相互竞争，又相互补充。一般孪生都伴随着滑移的进行，孪生变形也能改变晶体取向使晶体易于继续滑移：而晶体滑移变形在晶界等障碍物前塞积，并产

万　

方数据生较高的应力集中，使孪晶诱发。研究镁合金的孪生机制，对于改善其室温塑性和实现镁合金的普及应用具

有重要的意义。

２机制研究现状

对镁合金的变形行为研究通常包括室温、温热（室温至２５０℃）和高温变形（高于２５０℃）。不同温度下的变形机理相差很大，目前还没有用一种观点来描述所有温度区和应变速率下镁的塑性变形理论［１４Ｊ。综合现有的文献，主要有３种观点［１ｓＪ：第一种早期观点是认为相对较高的应力指数和塑性变形激活能形成位错攀移作为控制变形的机理。第二种观点是Ｖａｇａｒａｌｉ和Ｌａｎｇｄｏｎ提出的Ｆｒｉｅｄｅｌ交滑移模型．根据Ｆｒｉｅｄｅｌ机理，镁的塑性变形行为由交滑移控制．用这种机理对其塑性变形现象进行分析，可以比较满意地解释Ｍｇ的激活能对温度和应变速率的依从关系。第ｉ种观点是Ｃｏｕｒｅｎｔ等提出的Ｆｒｉｅｄｅｌ—Ｅｓｃａｉｇ机理。根据Ｆｆｉｅｄｅｌ—Ｅｓｃａｉｇ机理，在４２３—６２３Ｋ时，镁合金塑性变形由交滑移控制。用原位试验数据所计算出的微观激活能数据与理论预测值相一致。目前研究多集中在高温和中温范围内，对镁合金的室温变形行为研究较少。

实际的工业生产中，通常镁合金的塑性成形也都是在较高温度下实现的［１６－－１７］。由于镁及镁合金具有较低的堆垛层错能量。在高温变形过程中。镁合金也会发生动态再结晶现象‘１引，导致组织细化、均匀化、合金的塑性很好，部分镁合金甚至表现出超塑性。但是在高温下成形．会造成生产成本过高。还得考虑镁合金的氧化和生产操作环境等问题。因此如果能在较低温度下进行镁合金的变形加工．将大大促进镁合金在各领域的应用。目前针对这个问题，很多研究者从加入合金元素、大晶粒的滑移孪生和小晶粒的晶界滑动．以及金属塑性学的模拟等方面对镁合金塑性机制进行了研究。

在镁合金中加入其它合金元素也能显著提高塑性。Ａｇｎｅｗ

Ｓ

Ｒ等…研究了通过加入合金元素ｂ、Ｙ来

提高镁合金的成形性．研究发现加入合金元素后相对于纯镁，能够显著增加＜ｃ＋ａ＞锥面滑移系的激活能力，这样能够协调Ｃ轴方向的应变而提高压缩延展性。这是因为镁密排六方晶格各晶面原子密排程度常随轴比（ｃ／ａ）值变化而改变。在冶炼过程中往镁中加入锂、铟和银等元素可以降低（ｃ／ａ）值。如镁中加入８％Ｌｉ后（ｃ／ａ）值下降到１．６１８，从而激活菱柱滑移系。Ｔａｋｕｄａ

Ｈ

等［１９１研究发现Ｍｇ一“一Ｚｎ合金能从３７ｍｍ厚的铸态板材冷轧到２ｍｌＴＩ的薄板，这是由于Ｌｉ的加入形成了ＢＣＣ结构的／３相组织，使这种镁合金具有非常高的成形性能。

兵器材料科学与工程第３２卷

大尺寸晶粒塑性变形机制是镁合金中典型的滑移和孪生机制，而在含有小尺寸晶粒镁合金中．小晶粒通过晶粒间的晶界滑动协助大晶粒变形．两种机制共同作用提高了合金的变形能力。细化晶粒能够显著提高镁合金的室温塑性。ＹａｍａｓｈｉｔａＡ等㈣研究了晶粒尺寸与拉伸延伸率的关系，发现当晶粒尺寸从４００Ｉｒｍ降至１７扯ｍ后，延伸率可以达到１５％。ＭｕｋａｉＴ等［２１１用等通道挤压（ＥＣＡＥ）细化晶粒至１斗ｍ，退火后室温下拉伸试样的延伸率可以达到５０％，显著的延伸率提高是因为非基面滑移系的激活造成的。张青来等人㈦Ｊ研究了交叉轧制能得到均匀且细化的晶粒．而且能降低板材的各向异性，提高成形性。细化晶粒除了通过大变形来实现以外。还可以通过退火再结晶来实现，彭彩虹等∞３研究了退火制度与晶粒尺寸的关系：杨平等Ⅲ】研究了利用静态再结晶来改善形变组织、细化晶粒、提高成形性；ＩｔｏｈＧ等㈣研究了ＡＺ３１镁合金冷轧后退火的静态再结晶组织，通过这种方式可以得到６．４斗ｍ的细晶粒。

针对镁合金的滑移和孪生塑性变形机制研究，很多研究者做了大量实验和分析工作。ＫｏｉｋｅＪ等汹１用ＴＥＭ等手段观测细晶镁合金在拉伸变形量为２％时的非基面滑移系激活情况．发现非基面滑移系能够起到晶界处应力平衡的作用，对ＡＺ６１镁合金的研究也有类似的发现。ＫｅｓｈａｖａｒｚＺ等田１用ＥＢＳＤ技术对镁合金轧制和拉伸变形中的拉伸孪生进行了系统研究．特别是拉伸孪生方式在加载和卸载中的变化进行了分析。胡轶嵩等Ｃ２８１研究了ＡＺ３１镁合金平面应变压缩时的孪生过程，分析了孪晶类型，孪晶量与应变量之间的关系。结果表明，晶粒内部的拉伸孪生是主要的形变机制。而产生平行于轧面的基面织构．随形变量的加大及孪晶的增多．８６．３０＜１１芝０＞的孪晶取向关系先急剧增加，然后明显降低，孪晶量与基面取向晶粒的面积分数对应。蒋佳等人Ｃ２９－３０］也做了类似的研究。对ＡＺ３１镁合金进行了不同方向和不同温度下的压缩变形，分析了不同压缩轴的压缩变形及孪生行为产生的难易程度，认为拉伸孪晶将发生于基面法向垂直于压缩轴的晶粒。ＹａｎｇＰｉｎｇ等人［３１］通过对孪晶取向角度的分析研究了镁合金的初始取向与变形机制之间的关系。若晶粒的基面绕横向方向（ＴＤ）朝着法向方向（ＮＤ）倾斜．则基面滑移为主要滑移机制；若晶粒的基面垂直于ＴＤ．则柱面滑移为主要滑移机制；若晶粒的基面与轧制方向（ＲＤ）垂直，则拉伸孪生是主要孪生机制。

除了通过实验研究变形机制外，还有研究者用各种晶体塑性学模型来模拟室温下多晶体镁合金的塑性

变形过程。ＹｉＳＢ等ｍ１用粘塑性自洽模型研究了ＡＺ３１

万　

方数据镁合金单向加载变形时＜ｃ＋ａ＞锥面滑移的激活，发现压缩时＜ｃ＋ａ＞锥面滑移起了很大的作用。ＳｔａｒｏｓｅｌｓｋＡ等Ｌ３３］对ＡＺ３１Ｂ镁合金进行了晶体塑性有限元模拟，模拟了室温时变形织构和加载载荷在拉伸、压缩等变形方式中的变化。Ａｇｎｅｗ

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Ｒ等Ｌ６３用粘塑性自洽模型模拟了

镁合金的压缩过程，结果显示晶体在变形中的旋转和＜ｃ＋ａ＞锥面滑移密切相关。Ａｇｎｅｗ

ＳＲ，ＢｒｏｗｎＤ

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又做了进一步的研究Ｃ７］。他们用中子衍射测试手段和弹塑性自洽模型（ｅｌａｓｔｏ—ｐｌａｓｔｉｃｓｅｌｆ－ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔ）研究了ＡＺ３１镁合金内部应力和织构在单向加载和卸载中的演化．并对滑移和孪生机制进行了分析．结果显示实验结果观测到的各向异性需要用＜ａ＞柱面滑移和第二序＜ｃ＋ａ＞锥面滑移来解释。

３结束语

目前，大部分镁合金塑性变形都在较高的温度下进行。但是镁合金在高温下存在容易氧化等一系列问题，可以预料镁合金低温成形技术和理论的研究将成为今后的一个工作重点。

１）镁合金塑性变形过程中孪生变形的作用在于。通过孪生过程改变晶粒取向或通过孪晶间或孪晶与其它晶粒之间的相互作用，诱发新的滑移和孪生：孪晶也可抑制裂纹的产生和扩展，从而提高变形镁合金的室温塑性。通过改进现有的塑性变形工艺或开发新的塑性变形技术，来提高孪生对塑性变形的贡献，对提高变形镁合金的室温塑性具有重要意义。

２）镁密排六方晶格各晶面原子密排程度常随轴比（ｃ／ａ）值变化而改变，在镁中加入锂、铟和银等元素可以降低ｃ，ａ值，从而激活棱柱滑移系｛１０１０｝＜１ｌ芝０＞，明显提高镁合金在较低温度下的延展性。如何解决加工硬化效应低和抗蚀性差等问题是下一步研究工作的

重点。

３）晶粒细化不仅能提高镁合金强度和延展性．而且能形成高应变速率和低温下的超塑性。随着镁合金研究和应用的进一步发展，超靼性镁合金的应用将会日益增加。镁合金超塑性主要的研究方向将会是应变速率、晶粒度和变形温度等方面。其中镁合金在较低的

温度（０．５Ｌ以下或更低）下进行超塑性变形的研究具有特殊重要的意义。

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镁合金塑性变形机制的研究进展

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

曲家惠，岳明凯，刘烨， QU Jiahui， YUE Mingkai， LIU Ye沈阳理工大学装备工程学院,辽宁,沈阳,110168兵器材料科学与工程

ORDNANCE MATERIAL SCIENCE AND ENGINEERING2009,32(2)5次

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引用本文格式：曲家惠. 岳明凯. 刘烨. QU Jiahui. YUE Mingkai. LIU Ye 镁合金塑性变形机制的研究进展[期刊论文]

-兵器材料科学与工程 2009(2)