等温退火对挤压Mg-Mn-Zn合金板材和棒材的微观结构、机械性能及导热性能的继承效应

《Journal of Alloys and Compounds》：Inherited effect from isothermal annealing on the microstructures, mechanical properties and thermal conductivity of extruded Mg-Mn-Zn alloys sheet and rod

Mg-Mn-Zn合金板材与杆材在等温退火过程中的显微结构演变、力学性能和热导率差异研究。板材因强ED分基面织构和α-Mn颗粒钉扎效应表现出更优的热稳定性、力学性能保持率和热导率。揭示了挤压几何形状对退火行为及最终性能的关键影响。

　　

姚莉|邵电飞|岑波|江晨悦|梁军|张玉秀

桂林理工大学材料科学与工程学院，中国桂林541004

摘要

本研究对比研究了等温退火过程中挤压Mg-1.0wt%Mn-1.0wt%Zn合金板材和棒材的微观结构演变、力学性能和导热性能。两种挤压样品均表现出异质微观结构，包括超细动态再结晶晶粒和粗大变形晶粒。然而，挤压板材形成了明显的ED分裂基面织构，而挤压棒材则获得了典型的纤维织构。在退火过程中，挤压板材的热稳定性明显高于挤压棒材，这归因于细小α-Mn颗粒的更强钉扎效应以及位错阵列对位错恢复的阻碍。尽管晶粒粗化、α-Mn溶解和位错消除导致力学强度下降，但由于沉淀强化作用，挤压板材的力学强度始终优于挤压棒材。导热性能的变化取决于退火温度。值得注意的是，挤压板材的导热性能明显优于挤压棒材，这与细小α-Mn颗粒的沉淀作用净化了基体有关。本研究阐明了初始挤压几何形状和由此产生的微观结构在决定退火行为中的关键作用，突出了挤压板材在热稳定性、力学强度保持和持续高导热性能方面的优势。

引言

镁（Mg）合金因其低密度、良好的比强度和较高的导热性能，成为轻质结构部件和热管理应用的有希望的候选材料[1]、[2]、[3]、[4]。在各种制造技术中，挤压是一种主导的热机械加工方法，能够同时细化微观结构并改变织构，从而提高镁合金的综合性能[5]、[6]。此外，挤压后的退火处理是工业上关键且常规的步骤，旨在消除残余应力、调节微观结构的均匀性，并实现强度和延展性之间的理想平衡[7]。Xu等人[8]研究表明，经过450°C下24小时退火的Mg-5Gd-4Y-0.5Zn-0.5Zr合金获得了189 MPa的屈服强度和30.7%的断裂伸长率。Wang等人[9]报告称，通过200°C下1小时退火，Mg-10Gd-1Zn-0.4Zr合金的屈服强度达到320 MPa，极限抗拉强度达到368 MPa，断裂伸长率为18.4%。因此，挤压镁合金的退火行为和相应的力学性能已被广泛研究[10]、[11]、[12]。

然而，现有文献中的一个普遍假设是，包括恢复、再结晶和晶粒生长在内的基本退火机制主要由合金成分和挤压参数控制[13]、[14]、[15]。这种观点往往忽略了挤压产品本身的几何形状这一关键变量。最近的研究表明，在生产不同几何形状的金属材料时，金属流动模式、应变分布和相应的应力状态存在本质差异[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]。Mecking等人[18]将宏观流动应力与位错微观结构的演变联系起来，为理解应变分布如何直接影响材料强度提供了基础理论。Faugas等人[19]通过将流动应力分为背应力和有效应力分量，分析了奥氏体不锈钢的拉伸硬化过程。他们发现，在小应变下晶界内部应力占主导地位，而在大应变下由不均匀位错分布引起的晶内背应力变得更加重要。Banerjee等人[20]研究了Ti-6Al-4V合金的流动成形过程，特别关注进料速率对最终微观结构的影响。研究结果证明了成形过程中控制的金属流动与最终的晶粒形态和相分布之间的因果关系，这对于分析工艺-结构-性能相关性具有重要意义。

毫无疑问，上述差异也在挤压态镁合金中留下了独特的结构特征，包括特定的织构成分、晶粒结构的不均匀性、位错特性以及第二相的分布[23]。Wang等人[24]研究了挤压模具腔对ZK60镁合金织构成分及其相应力学性能的影响。结果表明，随着c轴与TD或ND方向的平行程度不同，织构强度存在显著差异。Hendriok等人[25]还研究了模具几何形状（平面模具与ECAP模具）对镁合金芯片挤压过程中微观结构发展的影响。研究结果表明，挤压出的船形截面的微观结构表现出显著的晶粒细化，这归因于较大的机械应变。因此，可以合理假设这种几何形状依赖的初始状态会导致后续退火过程中的不同动力学路径和热力学响应，最终导致力学和物理性能的稳定性及演变存在显著差异。令人惊讶的是，对于相同镁合金的不同挤压几何形状（尤其是简单的板材和棒材）之间的退火响应进行系统比较的研究仍然很少。目前尚不清楚初始挤压几何形状是否赋予了不同的热稳定性，这是否体现在微观结构变化的活化能上，以及热处理后力学强度的保持情况。此外，考虑到镁在热应用（如散热器部件、电子部件和新能源汽车部件）中的日益增长的兴趣[26]、[27]、[28]、[29]，也有必要深入研究挤压几何形状对退火过程中导热性能演变的影响。回答这些问题对于合理选择产品形状和优化后处理工艺以满足特定应用需求至关重要。

为填补这一知识空白，本研究对挤压Mg-Mn-Zn合金板材和棒材进行了详细的比较研究，据报道这两种材料具有显著的沉淀强化效果和优异的成形性[29]、[30]。此外，由于没有添加其他有价值的合金元素，制备成本相对较低。因此，Mg-Mn-Zn合金有望发展成为重要的高性能镁合金。本文系统地表征和比较了等温退火过程中的微观结构演变、力学性能和导热性能，发现挤压板材在微观结构稳定性、强度保持和高导热性能方面具有固有的优势。本研究为理解挤压镁合金的几何形状依赖的退火行为提供了基础见解，并为在先进工程应用中优化性能提供了实际指导。

实验程序

在 Medium-frequency 感应炉中，以约720 ℃的温度熔化了添加了1.0wt%Mn和1.0wt%Zn的镁合金。原材料包括高纯度镁（99.99wt%）、Mg-6.4wt%Mn母合金和纯锌。为避免空气的负面影响，在将熔体倒入模具时将其置于惰性气氛中。将锭体保持在430 ℃下25小时，以溶解金属间化合物并使合金元素均匀化。之后，对合金进行了挤压处理

挤压板材和棒材的初始微观结构

图1展示了通过不同挤压工艺制备的Mg-Mn-Zn合金的初始微观结构，挤压板材和棒材均表现出明显的异质微观结构。具体来说，如图1a和1e所示，通过挤压产生的超细晶粒嵌入在粗大变形晶粒中。相对较低的挤压温度（280 ℃）难以实现完全再结晶，从而导致

微观结构稳定性分析

如上所述，晶粒结构受退火条件的强烈影响。随着静态再结晶和晶粒生长的持续发展，异质微观结构逐渐转变为均匀的等轴晶粒结构。因此，需要从以下三个方面理解挤压板材和棒材的静态再结晶机制和晶粒生长机制。

结论

• 1.
  两种挤压样品都具有异质晶粒结构，由超细动态再结晶晶粒和粗大变形晶粒组成。此外，挤压板材表现出明显的ED分裂织构，大多数基面集中在距离ND约15°的位置。而挤压棒材则获得了正常的纤维织构。
• 2.
  与挤压棒材的颗粒状α-Mn颗粒不同，挤压板材中的α-Mn颗粒可以钉扎位错的运动

作者贡献声明

姚莉：撰写——原始草稿、验证、方法论、研究、数据整理。邵电飞：研究。梁军：监督。张玉秀：撰写——审稿与编辑、可视化、监督、项目管理、资金获取、概念化。岑波：研究。江晨悦：研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了广西自然科学基金（项目编号2025GXNSFBA069486）、桂林市科技计划项目（项目编号20230121-4）、广西高校中青年教师科研能力提升项目（项目编号2025KY0291）以及桂林理工大学研究基金（项目编号GUTQDJJ2023038）的支持。