孿晶和動態再結晶揭示AZ31鎂合金擠壓成形過程中基面織構形成機理

【引言】

織構是影響鎂合金成形性能的關鍵因素之一，AZ31等傳統鎂合金在熱擠壓成形時易形成基面織構，導致室溫塑性和成形能力差。研究表明調控織構是改善鎂合金塑性成形性能的有效手段，織構類型與塑性變形和動態再結晶行為密切相關，但目前關於基面織構的形成機制以及不同基面織構類型間的內在聯繫尚不清楚。因此，闡明擠壓過程的晶粒取向演變規律，揭示基面織構的形成機理，對於調控鎂合金織構改善成形能力具有指導意義。

【成果簡介】

最近，中科院金屬研究所的閆宏副研究員和陳榮石研究員在Acta Materialia發表最新研究成果「Unveiling the formation of basal texture variations based on twinning and dynamic recrystallization in AZ31 magnesium alloy during extrusion」。在該文中，研究人員利用EBSD技術研究了AZ31鎂合金反擠壓過程中孿生和動態再結晶行為，指出拉伸孿生和動態再結晶機制對於織構形成產生重要的影響，闡明了塑性變形機制和再結晶過程的晶粒微觀取向演變規律，揭示了傳統鎂合金擠壓基面織構的形成機理。

【圖文導讀】

圖1 反擠壓和顯微組織觀察位置示意圖

（a）反擠壓過程示意圖

（b）顯微組織觀察位置示意圖

圖2 擠壓成形金屬的顯微組織和織構

（a）IPF圖

（b）（0001）極圖

（c）反極圖

圖3 擠壓中斷樣品擠壓模出口下方不同區域的金相顯微組織

（a）擠壓模出口附近的低倍顯微組織

（b）不同位置高倍顯微組織

圖4 擠壓過程中織構變化

（a，c，e，g，i，k）（0001）極圖

（b，d，f，h，j，l）反極圖

圖5 擠壓中斷樣品在擠壓模出口下方15mm處的EBSD分析結果

（a）IPF圖

（b）對應的界面取向差圖

（c）取向差分布圖

（d）沿圖（a）中黑色箭頭AB的取向差分布

（e）（0001）極圖

（f）反極圖

圖6 典型晶粒中{10-12}拉伸孿晶對晶體取向變化的影響

（a，e，i）IPF圖

（b，g，j）（0001）極圖

（c，g，k）反極圖

（d，h，l）{10-12}拉伸孿晶變體和母晶粒之間的取向關係

圖7 擠壓中斷樣品擠壓模出口下方10mm處的EBSD分析結果

（a）IPF圖

（b）對應的界面取向差圖

（c）（0001）極圖

（d）反極圖

圖8 未再結晶晶粒G1的動態再結晶行為

（a）IPF圖

（b）沿（a）中黑色箭頭AB的取向差分布

（c）（0001）極圖

（d）反極圖

圖9 未再結晶晶粒G2和G3的動態再結晶行為

（a，e）IPF圖

（b，f）沿（a）和（e）中箭頭AB的取向差分布

（c，g）（0001）極圖

（d，h）反極圖

圖10 擠壓中斷樣品擠壓模出口下方7.5mm處的EBSD分析結果

（a）IPF圖

（b）未動態再結晶區域的IPF圖

（c）再結晶區域的IPF圖

（d）（0001）極圖

（e）反極圖

圖11 未再結晶區域R1中連續動態再結晶機制和其對晶粒取向形核的影響

（a）IPF圖

（b）沿（a）中箭頭AB和CD的取向差分布

（c）（0001）極圖

（d）反極圖

圖12 再結晶區域R1和R2中不連續動態再結晶機制和其對晶粒取向形核的影響

（a，d）IPF圖

（b，e）（0001）極圖

（c，f）反極圖

圖13 擠壓中斷樣品擠壓模出口下方0mm和5mm處的IPF圖

（a）5mm處的IPF圖

（b）圖（a）黑圈內的放大圖

（c）0mm處的IPF圖

（d）圖（c）黑圈內的放大圖

圖14 反擠壓過程中擠壓坯料受力與變形狀態分析示意圖

圖15 {10-12}拉伸孿晶系的SF分析結果

（a）傾角θ和旋轉角α的定義

（b）最有利於發生拉伸孿晶變體的母晶粒取向（θ=0o）

（c）θ從0°增加到90°時母晶粒和孿晶晶粒的取向關係

（d）平均SF值隨θ的變化分布圖

（e）平均SF值大於0.3的母晶粒與其孿生變體的取向關係

圖16 典型晶粒中{10-12}拉伸孿晶對晶體取向變化的影響

（a，d）IPF圖

（b，e）（0001）極圖

（c，f）反極軸

圖17 圖8（a）中未再結晶晶粒G1內不同滑移系SF分布圖

圖18 圖11（a）中未再結晶區域R1的EBSD分析結果

（a）KAM圖

（b）IPF圖

圖19 圖7（a）中原始晶粒晶界處形核的再結晶晶粒及取向分析

（a）IPF圖

（b）（0001）極圖

（c）（0001）反極圖

圖20 擠壓中斷樣品擠壓模出口不同位置處再結晶晶粒尺寸分布圖

【小結】

本文主要結論如下：

擠壓變形初期，{10-12}拉伸和{10-11}壓縮孿晶是主要的變形機制。{10-12}拉伸孿晶及其變體對{10-10}纖維織構的形成起中重要作用，而{10-11}壓縮孿晶激發孿晶誘導再結晶機制，但由於其數量有限，對整體取向變化作用並不十分顯著。孿晶過後，再結晶機制起主導作用，形成典型的雙模組織，有粗大未再結晶晶粒和細小再結晶晶粒組成。在未再結晶區域發生未再結晶機制，擇優形成以30o[0001]為晶界的再結晶晶粒，導致[2-1-10]織構組分逐漸增強，形成[10-10]-[2-1-10]雙纖維織構。在再結晶區域發生不連續再結晶機制，在鋸齒狀晶界和三角晶界處形核，取向偏離母晶粒，隨機化[10-10]-[2-1-10]雙纖維織構，形成非纖維基面織構。此外，再結晶初期原始晶界是再結晶擇優形核位置，但並不足以改變整體織構變化，而並沒有觀察到剪切帶和第二相形核機制的發生。在晶粒長大過程中，再結晶晶粒保持其形核取向，並未發生取向擇優選擇。