Nat.Commun：室溫下具有超高成形性的純鎂

【引言】

目前，鎂和鎂合金是最輕的結構金屬和合金（鎂的密度為1.7g/cm³，鋁的密度為2.7g/cm³，鐵的密度為7.9g/cm³）。但是鎂的室溫成形性差，這限制了其在車輛制造業中的應用。造成鎂合金室溫成形性差的原因主要：1、鎂的晶體結構為密排六方，可開動滑移系較少；2、鎂在熱加工過程中易產生織構。目前主流提高鎂的室溫成形性能的方法有兩個:1、通過添加適量的合金元素抑制熱加工過程中織構的產生，但這種方法對提高鎂合金的室溫成形性作用有限；2、通過較大的塑性變形，如等通道擠壓、高壓扭轉，來減小材料的晶粒尺寸，從而提高材料的塑性，但是這種方法獲得樣品尺寸通常較小，從而無法應用到大結構件中去。

【成果簡介】

近日，來自重慶大學的聶建峰教授和莫納什大學的Nick Birbilis教授（共同通訊）在Nat.Commun上發表了一篇名為“Super-formable pure magnesium at room temperature”的文章。研究人員通過對純鎂進行擠壓，擠壓溫度為80℃，使純鎂獲得了超高的室溫成形性能。然后，以擠壓溫度為400℃的純鎂作為對照組，通過壓縮實驗、軋制實驗并借助EBSD、SEM等分析手段對實驗結果進行了分析與討論，對純鎂的室溫變形機制進行了闡述。

【圖文導讀】

圖1：對擠壓態的純鎂進行冷壓縮變形

（a）對在不同擠壓溫度下擠壓得到純鎂進行壓縮（應變速率為10^-3s^-1）并得到相應的真應力-真應變曲線。由圖可知擠壓溫度≤80℃的樣品在壓縮屈服后沒有產生加工硬化，而擠壓溫度>80℃的樣品在壓縮屈服后產生加工硬化。

（b）擠壓溫度為80℃的樣品和擠壓溫度為400℃的樣品的壓縮情況。擠壓溫度為400℃的樣品在變形量達到20%時發生斷裂，而擠壓溫度為80℃的樣品顯示很好的塑性，圖中的標尺為5mm。

圖2：擠壓擠壓件軋制效果圖（擠壓溫度：80℃）

（a）圖中分別展示80℃下擠壓得到的3mm板材，再將板材在室溫下依次軋到1mm（無邊裂現象）、0.5mm和0.12mm，無中間退火；將0.12mm鎂帶剪成兩段并彎曲成“mg”形狀；圖中標尺為20mm。

（b）在室溫下對冷軋態的1mm鎂板進行180°的彎曲（最終回彈約10°），無開裂現象；圖中標尺為3mm。

（c）在室溫下對冷軋態的0.12mm鎂箔進行兩次對折，無肉眼可見的裂紋；圖中標尺為5mm。

圖3：冷變形后的微觀組織

（a）擠壓溫度為400℃的樣品的EBSD圖。

（b） 對（a）圖所示樣品進行20%壓縮后得到的EBSD圖，箭頭所指的是孿晶。

（c） 對（a）圖所示樣品進行20%軋制后得到的EBSD圖，箭頭所指的是孿晶。

（d） 對（a）圖所示樣品進行20%壓縮后得到的晶粒取向分布圖。

（e） 對（a）圖所示樣品進行20%軋制后得到的晶粒取向分布圖。

（f） 在80℃下由擠壓得到的樣品的透射菊池線衍射圖（TKD）。

（g） 對（f）圖所示樣品進行50%壓縮后得到的透射菊池線衍射圖（TKD）。

（h） 對（f）圖所示樣品進行50%軋制后得到的透射菊池線衍射圖（TKD）。

（i） 對（f）所示樣品進行50%壓縮后得到的晶粒取向分布圖。

（j） 對（f）所示樣品進行50%軋制后得到的晶粒取向分布圖。

ED為擠壓方向，CD為壓縮方向，RD為軋制方向，ND為法線方向，TD為橫向方向;（a）-（e）圖的標尺為100μm，（f）-（i）圖的標尺為2μm。

圖4：冷壓縮過程中的微觀結構演化

（a-b）擠壓溫度為400℃的樣品進行20%壓縮后的SEM圖，T所指的是變形孿晶，S所指的是滑移軌跡，標尺為20μm。

（c）擠壓溫度為80℃的樣品EBSD圖，標尺為500nm。

（d）對（c）圖的樣品進行6%壓縮后的EBSD圖，變形方向垂直于橫截面，標尺為500nm。

（e-f）（c）圖和（d）圖的平均取向差分布圖。

0°代表低應變，5°代表高應變。

圖5：在室溫下壓縮，細晶和粗晶樣品的變形模式示意圖

（a）變形前的示意圖，標尺為≤80μm；

（b）變形后的示意圖，標尺為≤5μm。

粗晶組織（400℃下的擠壓組織）的變形機制主要為位錯滑移和孿晶，細晶組織（80℃下的擠壓組織）變形機制主要為晶間滑移（晶粒旋轉和動態再結晶）。

【小結】

研究人員通過對在不同溫度下擠壓的純鎂的系統研究，發現在擠壓溫度≤80℃時，純鎂獲得了優異的室溫成形性能。通過對比400℃下擠壓的純鎂，研究人員發現變形機制的轉變：400℃下擠壓得到的組織較粗大，其在室溫下變形的機制主要是位錯的滑移和產生孿晶，而80℃下擠壓得到的組織較細小（微米級），其室溫下變形的機制主要是由動態再結晶和晶粒旋轉產生的晶間滑移。本文通過對不同擠壓溫度下擠壓的純鎂的室溫變形機制轉變的研究，為生產實際中獲得優異的室溫成形性的鎂和鎂合金提供一種可行的方法，為鎂和鎂合金的工業化應用提供指導。

文獻鏈接：Super-formable pure magnesium at room temperature（NATURE COMMUNICATIONS | DOI: 10.1038/s41467-017-01330-9）

本文由材料人編輯部新人組劉冠華編譯，陳炳旭審核，點我加入材料人編輯部。

材料測試，數據分析，上測試谷！