异质晶粒结构的AZ31B镁合金在高低应变率下，从低温（-150°C）到高温（400°C）的动态压缩力学响应

《Materials Science and Engineering: A》：Cryogenic to elevated temperatures (?150 °C to 400 °C) dynamic compressive mechanical response of hetero grain structured AZ31B Mg alloy under high strain rates

Mg-3.1Al-0.9Zn-0.2Mn合金异质晶粒结构在-150°C至400°C动态压缩下的力学行为研究表明，其室温极限压缩强度达582MPa，低温（-150°C）强度最高达662MPa，高温（400°C）为483MPa，较准静态压缩分别提升222MPa和123MPa。高强度源于粗大晶粒中高密度孪晶（87%）及吞并效应，低温下位错密度提升26%，孪晶诱发动态再结晶（TDRX）主导粗晶变形，而细晶（≤5μm）通过连续动态再结晶（CDRX）和基面外滑移协同作用提升强度。

　　

阿卜杜勒·马利克（Abdul Malik）|塞赫雷什·阿布拉尔（Sehreish Abrar）|N·杰亚普拉卡什（N. Jeyaprakash）|乌默尔·马苏德·乔杜里（Umer Masood Chaudry）|费萨尔·纳齐尔（Faisal Nazeer）

中国矿业技术大学材料科学与物理学院，徐州，221116，中国

摘要

在本研究中，制备了一种具有异质晶粒结构的挤压Mg-3.1Al-0.9Zn-0.2Mn（重量百分比）（AZ31B）镁合金，并对其在低温到高温（-150°C-400°C）范围内的力学性能进行了评估，包括准静态（0.001 s^-1）和动态压缩（2041-3941 s^-1）条件下的性能。为了表征压缩前后的微观结构，使用了扫描电子显微镜（SEM）、光学显微镜（OM）、X射线衍射（XRD）、电子背散射衍射（EBSD）和透射电子显微镜（TEM）。结果表明，该合金在室温（RT）下的极限抗压强度（UCS）约为582 MPa，在400°C温度下，当应变速率为约3933 s^-1时，抗压强度仍保持在约483 MPa。这些数值分别比准静态压缩条件下的UCS（约360 MPa）高出约222 MPa和约123 MPa。特别是在低温（-150°C）下，UCS高达约662 MPa，同时表现出显著的应变硬化能力和较高的能量吸收密度（约171 MJ/cm^3）。这一现象可能是由于异质晶粒结构导致的：在粗晶粒中孪晶形成较为普遍（约87%的晶粒发生孪晶作用），而在细晶粒中则较少（约12%的晶粒发生孪晶作用），并且细晶粒中的位错密度非常高。在-150°C下变形的样品中，位错密度比在25°C下变形的样品高出约26%，同时孪晶诱导的晶粒数量也增加了30%。本研究还证实了一个重要事实，即孪晶密度受温度和应变速率的影响，尤其是在粗晶粒中更为明显。随着变形温度的升高（57%-25°C、66%-200°C和约92%-300°C），在恒定应变速率（3904-3941 s^-1）条件下，粗晶粒中的孪晶诱导晶粒比例增加，从而影响了高温下的UCS。这进一步说明了大尺寸粗晶粒总是遵循孪晶诱导的动态再结晶（TDRX）变形机制，而小尺寸细晶粒则主导连续动态再结晶（CDRX）变形机制，最终形成完全动态再结晶的微观结构。最后，通过Williamson-Hall方法计算了位错密度，结果与各种条件下的变形机制相符。

引言

与铝（Al）、镍和钛合金相比，镁（Mg）合金是现代轻质金属材料[[1], [2], [3], [4], [5], [6]]。这些合金被用作航空航天和工业应用中的结构部件。在服役过程中，这些部件始终会受到极端环境下的压缩和拉伸载荷[[7], [8], [9], [10]]，尤其是在宽温度范围内的动态压缩载荷[[11], [12], [13], [14]]。较高的极限抗压强度（UCS）和能量吸收能力取决于其内在的微观结构特征，包括晶粒尺寸、晶粒形态、沉淀物和织构[[15,16]]。然而，如何制备出能够在动态压缩下保持高UCS和能量吸收能力的理想微观结构仍然是一个未解决的问题，尤其是在低温和高温条件下。

镁合金在动态载荷下的塑性变形非常复杂，与铝合金有很大不同[[17], [18], [19]]。这主要是由于镁及其合金的低位错活性，这与它们的六方密排（HCP）晶体结构有关。从力学角度来看，镁及其合金特别有趣，因为小尺寸晶粒（d ≤ 5 μm）中的非基面位错活动容易发生，而大尺寸晶粒（d ≥ 10 μm）中容易发生孪晶作用。这两种变形模式的协同效应显著改变了动态载荷下的力学响应和能量吸收密度。然而，与准静态载荷相比，动态压缩载荷会导致不对称变形，包括较高的孪晶比例、动态再结晶（DRX）和绝热剪切带（ASB_s）[[20], [21], [22]]。众所周知，在室温下，由于较高的临界解析剪切应力（CRSS），非基面滑移活动难以发生；然而，这取决于施加的变形温度[[23]]。此外，动态压缩载荷还可以触发非基面滑移活动[[24]]。因此，高应变速率和高变形温度都会降低非基面位错活动的CRSS，从而提高UCS和能量吸收能力[[11]]。关于低温条件，Kula等人[[25]]报告称压缩屈服强度（CYS）受温度影响，且CYS随温度升高而降低（从4K到298 K）。同样，在参考文献[[26,27]]中也报告了低温下的强度增加。

关于高应变速率压缩，Meredith等人[[28]]报道了一种通过水雾化旋压工艺制备的高强度AMX602镁合金。他们的结果显示，棒材和板材的织构不同，因此在动态压缩下的各向异性比准静态压缩更为明显。Pandey等人[[29]]研究了AZ31镁合金在室温和150°C下的高应变速率力学行为，发现变形温度对孪晶作用和相应的晶体织构有中等程度的影响。然而，在变形晶粒中观察到了显著的晶核平均错位（KAM）。P Guo等人[[30]]报告了在25°C和250°C下，应变速率为5000 s^-1时，从孪晶和基面滑移活动到DRX、孪晶和非基面滑移的转变效应。Habib等人[[31]]详细分析了ZEK100镁合金在动态拉伸和压缩过程中的各向异性和晶体织构发展，沿着轧制方向（RD）、45° RD和横向（TD）。根据他们的分析，随着应变速率的增加，抗压强度提高，应变硬化主要归因于孪晶作用，即使在高温下也是如此。在另一项研究中，他们还报告[[32]]，优先发生的扩展孪晶也参与了断裂/失效过程，且高比例的扩展孪晶在失效/断裂时表现出较低的变形量。最近，Malik等人[[11]]发现，在类似的应变速率（4×10^3 s^-1）下，500°C时的CYS和UCS明显高于25°C时的值。他们报告称，纤维状微观结构（由LPSO_s和沉淀物组成）以及大量的位错和孪晶作用导致了较高的UCS，从而使合金具有较高的能量吸收能力。P Guo等人[[33]]发现WE43镁合金在98K时可以发生DRX，但在高温下的DRX比例更高。最近，Malik等人[[34]]研究了AZ31-1Ca-0.5Mn-0.2Zr合金在573K变形温度下的动态压缩力学行为，发现2250 s^-1的应变速率下强度和断裂伸长率（EF）得以保持。Tang等人[[12]]研究了Mg-Nd-Y-Gd-Zr合金在98-573K变形温度下的高应变速率压缩行为，发现即使在573K温度下也未实现完全的DRX。Kabirian等人[[35]]发现，在77K下的动态压缩过程中发生了大量的孪晶形核。他们还报告称，在类似条件下，CYS高于室温下的值；因此，应变硬化能力也相似。此外，在更高温度下，CYS与室温下的动态压缩结果相同。在另一项研究[[36]]中，他们还发现，在77K-423K的温度范围内，应变速率为10^-4到10^0时，力学响应没有受到影响。对于更高的应变速率，应变硬化在类似变形温度下会增加。

综上所述，高温（约400°C或以上）和动态压缩会导致DRX并降低UCS。在这些研究中，使用了细晶粒结构或大尺寸粗晶粒结构来研究动态压缩力学行为。然而，细晶粒和粗晶粒如何影响UCS、能量吸收能力和变形行为，特别是在低温条件下的行为，仍有待探索。孪晶向位错的转变以及位错向孪晶的转变取决于微观结构特征（晶粒形态、晶粒尺寸和织构），其中晶粒尺寸是关键因素[[37]]。在大尺寸粗晶粒中孪晶形成更容易，而在小尺寸晶粒中则较为困难。此外，异质变形引起的硬化和双模态晶粒强化导致了强度的差异[[38,39]]。考虑到这些观点和文献，本研究制备了同时包含大尺寸粗晶粒和细晶粒的AZ31B镁合金，并研究了其在低温、室温和高温下的变形行为。

在本研究中，AZ31Mg合金在低温（3210 s^-1和3903 s^-1的应变速率下）的UCS（真实应力-应变）分别为约668 MPa和约662 MPa，在室温下为约582 MPa，在400°C下为约483 MPa，因此在低温到高温范围内表现出较高的能量吸收能力。为了探讨微观结构特征和相应的变形机制，使用了不同的表征技术对微观结构进行了评估，具体内容将在下一节详细说明。

合金制备

为了制备AZ31B镁合金，将适量的Mg30Al、Mg20Zn和Mg10Mn（均为重量百分比）母合金以及纯镁在780°C的感应炉中熔化。熔体倒入预加热至350°C的钢模具中，凝固后得到直径为45 mm的棒材。在450°C下保温6小时后，直接在400°C下使用直径为250 mm的挤压机进行挤压，最终得到所需的厚度。

挤压合金的微观结构特征

图1显示了不同区域挤压AZ31B镁合金的OM显微照片。可以看出，棒材角落的晶粒主要为粗晶粒，其中含有少量细晶粒。远离边缘的区域，晶粒尺寸较小。根据纳米测量软件的数据，最大的晶粒尺寸约为159 μm，平均晶粒尺寸约为13 μm。

EBSD分析

为了更详细地研究，选择了在-150°C和3903 s^-1应变速率下变形样品的EBSD分析。图11(a)中的图像质量（IQ）图显示，样品角落的粗晶粒微观结构严重变形。与原始微观结构相比，晶粒形态发生了显著变化。变形带和孪晶作用以及一些DRX过程控制了变形（图11(a)和b)）。

结论

研究了具有异质晶粒结构的AZ31B镁合金在低温到高温范围内的动态压缩变形行为。创新结果如下：

• 1.
  在-150°C的变形温度下，UCS为约662 MPa，比室温下的UCS（约582 MPa）高出约80 MPa。这主要是由于丰富的孪晶作用（高出约30%）、孪晶在粗晶粒中的包裹以及位错密度高出约26%所致

CRediT作者贡献声明

阿卜杜勒·马利克（Abdul Malik）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、监督、资金获取、正式分析、数据管理、概念构思。 塞赫雷什·阿布拉尔（Sehreish Abrar）：验证、软件使用、实验研究、资金获取、正式分析。 N·杰亚普拉卡什（N. Jeyaprakash）：数据可视化、验证、资源协调、正式分析。 乌默尔·马苏德·乔杜里（Umer Masood Chaudry）：数据可视化、软件使用、方法研究、实验研究。 费萨尔·纳齐尔（Faisal Nazeer）：初稿撰写、验证、实验研究。

利益冲突声明

作者声明他们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

该项目得到了国家自然科学基金（编号：52250410344和W2433126）的财政支持。