基于累积挤压变形的梯度结构镁合金板材可控制备与变形机理研究

Bulid of the gradient structure inside the magnesium alloys can greatly improve comprehensive mechanical properties. The gradient structure can be only constructed on the surface of materials with uneven thickness distribution and limited volume percentage, which is not conducive to the further improvement of the material performance. To solve this problem, the gradient structure from surface to inside of magnesium alloy sheets can be constructed by accumulated extrusion bonding, which can refine grains and realize the multilayer metal composite at low and medium temperatures. This work will focus on the microstructure evolution during accumulated extrusion bonding, and then effects of deformation process on slip, twinning and recrystallization will be illuminated. On this basis, the grain size, texture, lamellar thickness and distribution characteristics of the gradient structure of magnesium alloy sheets will be controlled, and the formation mechanism of the gradient structure will be clarified. In order to reveal the deformation mechanism within each gradient layer and the coordination deformation mechanism between them, the slip/twinning behavior and texture evolution during deformation will be discussed. In addition, this work will investigate the constitutive relationship between gradient distribution characteristics and mechanical properties and establish the relationship model of gradient structure characteristics - deformation mechanism - strength and plasticity. The results of this project will provide a theoretical basis for the low-cost preparation of magnesium alloy plates with excellent comprehensive properties.

在镁合金组织内部构建梯度结构可有望大幅度提升其综合力学性能，目前只可在材料表面构建梯度层且厚度分布不均、所占体积百分比有限，不利于材料性能进一步提高。针对此问题，项目借助可细化晶粒与实现中低温多层金属复合的累积挤压变形方式在镁合金板材中构建由表及里的梯度结构。主要研究累积挤压变形过程中微观组织演变规律，揭示变形工艺对滑移、孪生、再结晶行为的影响机制；在此基础上，对镁合金板材梯度结构中的晶粒尺寸、织构、片层厚度、分布特征进行可控构建，阐明梯度结构的形成机理；探讨梯度结构镁合金变形过程中微观组织演变规律，揭示各梯度层内的变形机制以及它们之间的协调变形机制，阐明组织梯度分布特征与力学性能之间的本质关系，建立梯度结构特征-变形机制-强塑性之间的关系模型。本项目的研究成果将为低成本制备综合性能优异的镁合金板材提供理论基础。

作为当前实际应用中最轻的金属结构材料，镁合金具有比强度和比刚度高、减振性好等优点，但镁合金中始终存在强度-塑性“倒置”关系，面临着需要牺牲塑性来换取更高的强度，反之亦然。在镁合金中构筑梯度结构可以有效地抑制金属在变形过程中早期的变形局域化，并可以缓解内部的应力集中进而阻碍裂纹的发生，实现更优的强度-塑性配比。因此，本研究中采用挤压、轧制并结合适当的退火工艺在镁合金板材中构筑晶粒尺寸和织构梯度结构，并对梯度结构形成机理作系统研究。结果表明，累积挤压变形的初始阶段由{10-12}拉伸孪生主导，并伴有少量动态再结晶的发生，随着挤压的进行，孪生区域的晶粒被再结晶晶粒吞噬，导致孪晶消失，再结晶晶粒体积分数增大。在定径带处动态再结晶完成，原始晶粒全部转变成再结晶晶粒；利用累积挤压工艺制备Mg-1.5Zn-0.2Ca-0.2Ce与AZ31镁合金复合板，其中AZ31侧平均晶粒尺寸相对较大，Mg-1.5Zn-0.2Ca-0.2Ce镁合金的晶粒较小，随着Mg-1.5Zn-0.2Ca-0.2Ce含量的增加，复合板的屈服强度略微降低，延伸率明显提高，最大延伸率可达33.6 %。通过挤压制备具有晶粒尺寸梯度的AZ31与AZ91镁合金复合板，其中AZ31平均晶粒尺寸为~35μm，AZ91平均晶粒尺寸为~20μm，两层材料均呈现为基面织构特征；随着AZ91插入层数量的增加，复合板体现了较好的强塑性，强度与塑性均明显高于AZ31镁合金。通过挤压与轧制并结合退火工艺制备外侧AZ31细晶AM60芯部粗晶的梯度结构复合板材；轧制与退火后，AZ31平均晶粒尺寸为~5μm，AM60平均晶粒尺寸为~15μm；AZ31合金织构仍为基面织构，AM60合金织构朝TD方向偏转~±7°。挤压结合轧制与退火工艺调控AZ31与Mg-1.5Zn-0.2Ca-0.2Ce复合板织构梯度特征。AZ31侧为基面织构，Mg-1.5Zn-0.2Ca-0.2Ce侧在ED方向形成双峰织构，织构中存在<1-121>//ED方向的“稀土织构”组分；利用轧制结合退火对织构梯度进行调控，AZ31合金织构由ND方向朝RD方向偏转，而Mg-1.5Zn-0.2Ca-0.2Ce合金退火再结晶后，柱面<a>滑移引发的取向梯度与TD取向晶粒优先长大共同促成了TD方向偏转的椭圆环形织构的产生。本项目的研究成果将为低成本制备综合性能优异的镁合金板材提供理论基础。