丁雪征，劉天模，陳 建，張 瑜，盧立偉

(重慶大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400030)

鎂合金因其具有密度低、比強(qiáng)度高、彈性模量較低、電磁屏蔽效果優(yōu)良、零件尺寸穩(wěn)定等性能，被廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車、3C產(chǎn)品、印刷和紡織等行業(yè)中[1]。然而，鎂合金具有HCP結(jié)構(gòu)，對(duì)稱性低，室溫滑移系少，增加了其冷加工成型的困難[2]。孿生是鎂合金主要的形變方式之一。研究表明，孿晶對(duì)鎂合金動(dòng)態(tài)再結(jié)晶具有重要作用，壓縮孿晶比拉伸孿晶更有利于促進(jìn)再結(jié)晶的形核和長(zhǎng)大，這是因?yàn)槔鞂\晶界面易遷移，形變均勻，難以儲(chǔ)存足夠的形變能，而壓縮孿晶則正好相反[3?5]。孿晶界易成為形核點(diǎn)，有利于晶粒長(zhǎng)大，且由于靜態(tài)再結(jié)晶的作用，弱化了變形產(chǎn)生的強(qiáng)基面織構(gòu)[6?7]。鎂合金在塑性變形后，最常見(jiàn)的孿晶界為型拉伸孿晶和壓縮孿晶。塑性變形后發(fā)生的再結(jié)晶現(xiàn)象對(duì)實(shí)際的加工和生產(chǎn)具有重要意義[8]。目前，關(guān)于孿晶界對(duì)鎂合金再結(jié)晶影響的研究主要集中在動(dòng)態(tài)再結(jié)晶[9?11]，而孿晶界對(duì)靜態(tài)再結(jié)晶影響的研究相對(duì)較少。

為此，本文作者以鑄態(tài) AZ31鎂合金為原料，通過(guò)壓縮和鍛造兩種室溫變形方式，比較變形方式和變形量對(duì)孿生形態(tài)以及退火溫度、退火時(shí)間對(duì)孿晶處再結(jié)晶的影響，探討不同孿晶界再結(jié)晶形核與長(zhǎng)大機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)原材料為AZ31鑄態(tài)鎂合金，其具體成分如表1所列。首先將鑄態(tài)鎂合金加工成尺寸為d 10 mm×18 mm的圓柱狀樣品，并進(jìn)行400 ℃、4 h的均勻化退火。然后在室溫下進(jìn)行鍛造或壓縮變形，選擇的變形量分別為4%、8%和12%。其中，壓縮變形實(shí)驗(yàn)在新三思 CMT?5105 萬(wàn)能電子試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，變形速度為2 mm/min，鍛造為手工鍛。

從圖1中3條曲線(圖中壓縮變形初期的2%為彈性變形)的吻合度可以看出，塑性變形達(dá)到12%時(shí)，樣品仍處在均勻塑性變形階段。隨后，將變形后的樣品分別在200和300 ℃下進(jìn)行不同時(shí)間(1 min、5 min、20 min、1 h、2 h、4 h、10 h、24 h)的退火保溫。最后，對(duì)熱處理后的樣品進(jìn)行金相觀察和XRD檢測(cè)。

表1 AZ31鎂合金的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of AZ31 magnesium alloy(mass fraction, %)

圖1 壓縮量為 4%、8%和 12%時(shí) AZ31鎂合金的工程應(yīng)力—應(yīng)變曲線Fig.1 Engineering stress—strain curves of AZ31 magnesium alloy compressed by 4%, 8% and 12%

2 結(jié)果和分析

2.1 變形方式對(duì)孿生的影響

孿生過(guò)程受到很多因素的影響，如形變溫度、形變程度、晶粒取向以及晶粒尺寸等[12]，本文作者重點(diǎn)研究變形方式與變形量對(duì)孿生過(guò)程的影響。

圖2所示為壓縮和鍛造兩種變形方式產(chǎn)生的孿晶的金相組織。當(dāng)形變量較小(4%)時(shí)，孿晶形貌區(qū)別不明顯(見(jiàn)圖2(a)和(b))。當(dāng)變形量達(dá)到8%時(shí)，鍛造變形產(chǎn)生的孿晶方向錯(cuò)亂、不集中，大孿晶之間存在交叉的小孿晶；壓縮變形后，典型的孿晶形貌為方向一致的孿晶平行排列，而且存在聚集現(xiàn)象(見(jiàn)圖2(c)和(d))。當(dāng)變形量增大到12%時(shí)，孿晶量明顯增多，鍛造變形的孿晶錯(cuò)亂程度加劇，而壓縮變形后兩組方向不同的孿晶群發(fā)生交錯(cuò)(見(jiàn)圖2(e)和(f))。

圖3所示為將圓柱體樣品從側(cè)面進(jìn)行掃描的XRD譜。由圖3可以看出，在均勻化后未變形的樣品中(0002)基面很多，而隨著變形量的增加，(0002)基面的峰值逐漸降低。這是因?yàn)?0002)基面滑移是鎂合金的主要變形方式之一。而在壓縮或鍛造變形過(guò)程中，試樣縱向受到外力作用，使大部分晶粒逐漸發(fā)生旋轉(zhuǎn)(見(jiàn)圖4)，最終使(0002)基面旋轉(zhuǎn)至趨于與縱向垂直的方向，從而促進(jìn)橫向的變形(即鐓粗)。所以，縱面的XRD譜顯示(0002)的峰值隨著變形量增大逐漸變小。

2.2 孿晶處的靜態(tài)再結(jié)晶過(guò)程

2.2.1 退火溫度與退火時(shí)間的影響

圖5所示為經(jīng)8%壓縮變形后AZ31鎂合金分別在200(低于再結(jié)晶溫度)和 300 ℃下進(jìn)行不同時(shí)間退火保溫的金相組織。由圖5(a)、(c)和(e)可以看出，當(dāng)變形程度和退火溫度相同時(shí)，對(duì)比退火時(shí)間從 5 min、20 min至最后的1 h，孿晶界出現(xiàn)再結(jié)晶形核現(xiàn)象，但在退火1 h時(shí)，仍然可以看到大量未發(fā)生再結(jié)晶的孿晶。相比之下，在退火溫度300 ℃下退火5 min后，孿晶界處有大量無(wú)畸變的新晶粒產(chǎn)生。退火時(shí)間延長(zhǎng)，晶粒開(kāi)始長(zhǎng)大，組織逐漸趨于均勻化(見(jiàn)圖5(b)、(d)和(f))。比較兩個(gè)溫度下再結(jié)晶形核長(zhǎng)大可以看出，退火溫度的提高可以顯著地縮短再結(jié)晶的時(shí)間。

2.2.2 變形量與變形方式的影響

圖2 經(jīng)不同比例鍛造或壓縮變形、無(wú)退火AZ31鎂合金的金相組織Fig.2 Microstructures of AZ31 magnesium alloy forged or compressed with different proportions without annealing: (a)4%,forged; (b)4%, compressed; (c)8%, forged; (d)8%, compressed; (e)12%, forged; (f)12%, compressed

圖6所示為AZ31鎂合金經(jīng)4%、8%和12%鍛造及壓縮變形后，在200 ℃、24 h退火的金相組織。從圖6(a)和(b)中可看出，在退火保溫24 h、4%變形量的試樣組織中幾乎沒(méi)有再結(jié)晶新晶粒的出現(xiàn)。

當(dāng)鎂合金發(fā)生塑性變形時(shí)，組織內(nèi)部產(chǎn)生位錯(cuò)和孿晶，以利于鎂合金更大程度的塑性變形。塑性變形量越大，組織內(nèi)由于缺陷產(chǎn)生而儲(chǔ)存的形變能越高，因此，越來(lái)越多本來(lái)在平衡位置上振動(dòng)的原子獲得能量而偏離平衡位置。在退火階段，首先偏離平衡位置大的原子，獲得足夠的能量向能量低的平衡位置遷移，使形變能得到釋放，內(nèi)應(yīng)力發(fā)生松弛，從而發(fā)生再結(jié)晶[13]。所以，塑性變形量越大，樣品儲(chǔ)蓄形變能越高，越利于再結(jié)晶的進(jìn)行。因此，無(wú)論是鍛造還是壓縮，當(dāng)變形量增加到8%時(shí)，在200 ℃條件下也發(fā)生了孿晶處的再結(jié)晶(見(jiàn)圖6(c)和(d))。鍛造試樣在同等變形量的情況下更容易在孿晶處發(fā)生再結(jié)晶，因?yàn)殄懺煲桩a(chǎn)生交叉孿晶，而壓縮則產(chǎn)生大量平行排列的孿晶。由于位錯(cuò)容易在交錯(cuò)處塞積，所以，所有交叉處形核現(xiàn)象非常明顯。尤其是 12%鍛造變形量的樣品(見(jiàn)圖6(e))，再結(jié)晶已趨于完成，僅有少量孿晶存在。而12%壓縮變形量的樣品中仍然存在許多平行排列的孿晶界(見(jiàn)圖6(f))，這些孿晶界在靜態(tài)再結(jié)晶后期將逐漸被晶粒吞并。

圖3 經(jīng)不同比例鍛造或壓縮變形、無(wú)退火AZ31鎂合金的XRD譜Fig.3 XRD patterns of AZ31 magnesium alloy forged or compressed with different proportions without annealing:(a)Raw material; (b)4%, forged; (c)8%, forged; (d)12%,forged; (e)4%, compressed; (f)8%, compressed; (g)12%,compressed

圖4 AZ31鎂合金在變形過(guò)程中的晶體取向變化示意圖Fig.4 Schematic drawings showing changes of crystal orientation during transformation: (a)Before deformation; (b)During deformation; (c)After deformation

圖5 經(jīng)壓縮8%、200和 300 ℃退火保溫不同時(shí)間后AZ31鎂合金的金相組織Fig.5 Microstructures of AZ31 magnesium alloy compressed by 8% , annealed at 200 or 300 ℃ and held for different times:(a)200 ℃, 5 min; (b)300 ℃, 5 min; (c)200 ℃, 20 min; (d)300 ℃, 20 min; (e)200 ℃, 1 h; (f)300 ℃, 1 h

2.3 孿晶界對(duì)再結(jié)晶形核的影響

2.3.1 孿晶界的易形核點(diǎn)

圖7 孿晶界形核機(jī)制示意圖[9,14]Fig.7 Schematic drawings of nucleation mechanisms of twin boundary[9,14]: (a)Twin boundary bulge nucleation; (b)Nucleation surrounded by twin cross; (c)Nucleation of sub-grain boundaries growth; (d)Nucleation of secondary twins

經(jīng)典孿生形核理論[9,14]認(rèn)為，孿晶界形核可能有如下3 種形核方式：①初級(jí)孿晶的相互作用導(dǎo)致孿晶界周圍形成微晶，一次孿晶1和2交叉，微晶Ⅱ相比微晶Ⅰ更易出現(xiàn)再結(jié)晶(見(jiàn)圖7(b))；②小角度晶界的發(fā)展可將變形和退火孿晶細(xì)分成核心，從一次孿晶的橫截面模型可以看出，孿晶層的角度為 θ，當(dāng)某一處因變形出現(xiàn)小角度晶界 Δθ時(shí)，則在此處以更為再結(jié)晶的核心(見(jiàn)圖7(c))；③在一次孿晶層 1內(nèi)部發(fā)生二次孿晶2時(shí)，二次孿晶2可形成其他核心(見(jiàn)圖7(d))。

但是，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與孿晶形核理論并不完全一致。圖8表明，AZ31鎂合金經(jīng)12%的鍛造變形、再結(jié)晶退火后最容易形核。

圖8 經(jīng)12%鍛造變形后在200 ℃下退火不同時(shí)間AZ31鎂合金的金相組織Fig.8 Microstructures of AZ31 magnesium alloy forged by 12% and annealed at 200 ℃ for different times: (a), (b), (c)5 min; (d),(e), (f)1 h

圖8(b)和(e)所示為孿晶內(nèi)部亞晶合并形成小角度晶界進(jìn)而發(fā)展成晶核的過(guò)程。由于形變量較大，孿晶內(nèi)有大量位錯(cuò)的存在。當(dāng)退火5 min時(shí)，孿晶內(nèi)的位錯(cuò)經(jīng)過(guò)遷移合并形成亞結(jié)構(gòu)，形成小角度晶界(如8(b)中箭頭所指)，并與孿晶相連，逐步發(fā)展成新晶粒。而隨著退火時(shí)間的延長(zhǎng)，退火1 h時(shí)形成的新晶粒的晶界通過(guò)繼續(xù)合并周圍的亞晶從而發(fā)生彎曲并與附近的孿晶界連接，形成更多新的小晶粒。其孿生形核機(jī)理與圖7(c)所示的一致。圖8(c)和(f)所示為交叉孿晶形核過(guò)程。相互交錯(cuò)的孿晶處，形變能和內(nèi)應(yīng)力集中。經(jīng)退火處理后，很短時(shí)間內(nèi)就會(huì)具有足夠的驅(qū)動(dòng)力，產(chǎn)生新晶粒。而交錯(cuò)處密集的地方隨著退火時(shí)間的延長(zhǎng)，晶粒形核后逐漸長(zhǎng)大，相互接觸，在這種情況下，晶粒通過(guò)合并進(jìn)而繼續(xù)長(zhǎng)大(見(jiàn)圖8(f))。可以看出，兩個(gè)孿晶的交叉點(diǎn)比經(jīng)典孿生形核機(jī)理圖7(b)中所指的被孿晶包圍的微晶Ⅱ更易成為形核點(diǎn)。

而圖8(a)和(d)則詮釋了另一種新的形核機(jī)制，即低溫下的“孿晶界凸出形核”機(jī)制，其機(jī)理與晶界突出形核相似[15?16]。在退火5 min時(shí)，孿晶界的局部區(qū)域已有“凸出”形核的新晶粒。而隨著退火時(shí)間的延長(zhǎng)，在退火1 h時(shí)，孿晶界有成串的新晶粒形成并長(zhǎng)大。分析認(rèn)為，在孿晶界發(fā)現(xiàn)的凸出形核過(guò)程如圖7(a)所示：孿晶界內(nèi)外兩側(cè)位錯(cuò)密度分布不均勻，退火時(shí)基體內(nèi)位錯(cuò)在孿晶界處堆積，如圖7(a)中①所示；塞積在孿晶界的位錯(cuò)，通過(guò)滑移和攀移等運(yùn)動(dòng)方式，逐漸在孿晶界處形成向外“凸出”的亞晶界，如圖7(a)中②所示；隨著退火時(shí)間的延長(zhǎng)，位錯(cuò)在孿晶界處形成的亞晶界逐漸連在一起形成晶界，并逐步吞噬原來(lái)的孿晶界，最終結(jié)合成為新的無(wú)畸變新晶粒，如圖7(a)中③所示。

2.3.2 孿晶界的難形核點(diǎn)

圖9所示為壓縮和鍛造試樣中一些不易發(fā)生再結(jié)晶的孿晶，主要是一些相互平行的孿晶界(見(jiàn)圖9(a)～(f))。這些相互平行、間距相同的孿晶，即使在經(jīng)過(guò)24 h的退火保溫后，仍然保持著原來(lái)的形貌，而不發(fā)生再結(jié)晶。只能通過(guò)周圍無(wú)畸變晶粒的不斷長(zhǎng)大來(lái)慢慢吞噬這些孿晶。分析認(rèn)為，在這些位置上的孿晶，其孿晶界不能促進(jìn)再結(jié)晶，原因是形變時(shí)孿晶界會(huì)發(fā)生遷移，緩和了塑性變形引起的內(nèi)應(yīng)力和畸變能的集中。雖然有適宜的退火溫度和退火時(shí)間等有力條件，但是其儲(chǔ)備的驅(qū)動(dòng)力不足以促使再結(jié)晶的進(jìn)行。另外，一些孿晶變體(二次孿晶)并不易于成為再結(jié)晶的形核點(diǎn)，如圖9(g)和(h)所示。壓縮12%的試樣經(jīng)300℃退火5 min和1 h后，周圍一次孿晶界處已經(jīng)有新晶粒形成，但是圖9(g)和(h)中箭頭所指有二次孿晶的孿晶界仍無(wú)新晶粒產(chǎn)生。分析認(rèn)為，位錯(cuò)可能不容易在此類二次孿晶界處塞積，或是其產(chǎn)生過(guò)程釋放了原來(lái)孿晶處的內(nèi)應(yīng)力，所以沒(méi)有足夠的驅(qū)動(dòng)力產(chǎn)生新晶粒。此結(jié)論與文獻(xiàn)[4]所認(rèn)為的二次孿晶有利于再結(jié)晶形核的觀點(diǎn)不同。

圖9 經(jīng)12%鍛造或壓縮及不同溫度不同時(shí)間退火處理后AZ31鎂合金的金相組織Fig.9 Microstructures of AZ31 magnesium alloy forged or compressed by 12% and annealed at different temperature for different times: (a)Forged, 20 min, 200 ℃; (b)Forged, 1 h, 200 ℃; (c)Forged, 10 h, 200 ℃; (d)Compressed, 1 h, 200 ℃; (e)Compressed,10 h, 200 ℃; (f)Compressed, 24 h, 200 ℃; (g)Compressed, 5 min, 300 ℃; (h)Compressed, 1 h, 300 ℃

3 結(jié)論

1)鍛造產(chǎn)生的孿晶較短且取向錯(cuò)亂，而壓縮變形產(chǎn)生的孿晶則較狹長(zhǎng)，同取向的孿晶大量聚集且平行排列，這與鍛造和壓縮兩種變形方式的形變速率不同有關(guān)。

2)孿晶界對(duì)鑄態(tài)AZ31鎂合金再結(jié)晶的影響受變形方式、變形程度、退火溫度及退火時(shí)間的影響。在相同條件下，鍛造變形的鎂合金孿晶處更易發(fā)生再結(jié)晶。

3)提出了低溫下“孿晶界凸出形核”機(jī)理，發(fā)現(xiàn)孿晶交叉點(diǎn)比交叉圍成的微晶處更易成為形核點(diǎn)，而且一些孿晶變體即二次孿晶處并不是優(yōu)先形核的位置，這與經(jīng)典的孿生形核理論的觀點(diǎn)不同。

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