Nat.Commun：室温下具有超高成形性的纯镁

【引言】

目前，镁和镁合金是最轻的结构金属和合金（镁的密度为1.7g/cm³，铝的密度为2.7g/cm³，铁的密度为7.9g/cm³）。但是镁的室温成形性差，这限制了其在车辆制造业中的应用。造成镁合金室温成形性差的原因主要：1、镁的晶体结构为密排六方，可开动滑移系较少；2、镁在热加工过程中易产生织构。目前主流提高镁的室温成形性能的方法有两个:1、通过添加适量的合金元素抑制热加工过程中织构的产生，但这种方法对提高镁合金的室温成形性作用有限；2、通过较大的塑性变形，如等通道挤压、高压扭转，来减小材料的晶粒尺寸，从而提高材料的塑性，但是这种方法获得样品尺寸通常较小，从而无法应用到大结构件中去。

【成果简介】

近日，来自重庆大学的聂建峰教授和莫纳什大学的Nick Birbilis教授（共同通讯）在Nat.Commun上发表了一篇名为“Super-formable pure magnesium at room temperature”的文章。研究人员通过对纯镁进行挤压，挤压温度为80℃，使纯镁获得了超高的室温成形性能。然后，以挤压温度为400℃的纯镁作为对照组，通过压缩实验、轧制实验并借助EBSD、SEM等分析手段对实验结果进行了分析与讨论，对纯镁的室温变形机制进行了阐述。

【图文导读】

图1：对挤压态的纯镁进行冷压缩变形

（a）对在不同挤压温度下挤压得到纯镁进行压缩（应变速率为10^-3s^-1）并得到相应的真应力-真应变曲线。由图可知挤压温度≤80℃的样品在压缩屈服后没有产生加工硬化，而挤压温度>80℃的样品在压缩屈服后产生加工硬化。

（b）挤压温度为80℃的样品和挤压温度为400℃的样品的压缩情况。挤压温度为400℃的样品在变形量达到20%时发生断裂，而挤压温度为80℃的样品显示很好的塑性，图中的标尺为5mm。

图2：挤压挤压件轧制效果图（挤压温度：80℃）

（a）图中分别展示80℃下挤压得到的3mm板材，再将板材在室温下依次轧到1mm（无边裂现象）、0.5mm和0.12mm，无中间退火；将0.12mm镁带剪成两段并弯曲成“mg”形状；图中标尺为20mm。

（b）在室温下对冷轧态的1mm镁板进行180°的弯曲（最终回弹约10°），无开裂现象；图中标尺为3mm。

（c）在室温下对冷轧态的0.12mm镁箔进行两次对折，无肉眼可见的裂纹；图中标尺为5mm。

图3：冷变形后的微观组织

（a）挤压温度为400℃的样品的EBSD图。

（b） 对（a）图所示样品进行20%压缩后得到的EBSD图，箭头所指的是孪晶。

（c） 对（a）图所示样品进行20%轧制后得到的EBSD图，箭头所指的是孪晶。

（d） 对（a）图所示样品进行20%压缩后得到的晶粒取向分布图。

（e） 对（a）图所示样品进行20%轧制后得到的晶粒取向分布图。

（f） 在80℃下由挤压得到的样品的透射菊池线衍射图（TKD）。

（g） 对（f）图所示样品进行50%压缩后得到的透射菊池线衍射图（TKD）。

（h） 对（f）图所示样品进行50%轧制后得到的透射菊池线衍射图（TKD）。

（i） 对（f）所示样品进行50%压缩后得到的晶粒取向分布图。

（j） 对（f）所示样品进行50%轧制后得到的晶粒取向分布图。

ED为挤压方向，CD为压缩方向，RD为轧制方向，ND为法线方向，TD为横向方向;（a）-（e）图的标尺为100μm，（f）-（i）图的标尺为2μm。

图4：冷压缩过程中的微观结构演化

（a-b）挤压温度为400℃的样品进行20%压缩后的SEM图，T所指的是变形孪晶，S所指的是滑移轨迹，标尺为20μm。

（c）挤压温度为80℃的样品EBSD图，标尺为500nm。

（d）对（c）图的样品进行6%压缩后的EBSD图，变形方向垂直于横截面，标尺为500nm。

（e-f）（c）图和（d）图的平均取向差分布图。

0°代表低应变，5°代表高应变。

图5：在室温下压缩，细晶和粗晶样品的变形模式示意图

（a）变形前的示意图，标尺为≤80μm；

（b）变形后的示意图，标尺为≤5μm。

粗晶组织（400℃下的挤压组织）的变形机制主要为位错滑移和孪晶，细晶组织（80℃下的挤压组织）变形机制主要为晶间滑移（晶粒旋转和动态再结晶）。

【小结】

研究人员通过对在不同温度下挤压的纯镁的系统研究，发现在挤压温度≤80℃时，纯镁获得了优异的室温成形性能。通过对比400℃下挤压的纯镁，研究人员发现变形机制的转变：400℃下挤压得到的组织较粗大，其在室温下变形的机制主要是位错的滑移和产生孪晶，而80℃下挤压得到的组织较细小（微米级），其室温下变形的机制主要是由动态再结晶和晶粒旋转产生的晶间滑移。本文通过对不同挤压温度下挤压的纯镁的室温变形机制转变的研究，为生产实际中获得优异的室温成形性的镁和镁合金提供一种可行的方法，为镁和镁合金的工业化应用提供指导。

文献链接：Super-formable pure magnesium at room temperature（NATURE COMMUNICATIONS | DOI: 10.1038/s41467-017-01330-9）

本文由材料人编辑部新人组刘冠华编译，陈炳旭审核，点我加入材料人编辑部。

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