英國University of Sheffield Prof Mark Rainforth課題組鎂稀土合金再結晶織構專題：再結晶形核位置對靜態再結晶織構演化的影響

【引言】

鎂合金由于密度低，比強度高，其應用前景非常廣泛、潛力出眾。然而，由于六方晶體結構的局限性，導致室溫可開動的滑移系統有限，因而在室溫條件下塑形比較低。另外，鎂合金在變形過程中也會出現很強的變形基面織構，造成塊體材料有非常強的各向異性，不利于進一步的加工處理。幾十年來，研究人員通過開發熱加工技術和添加合金化元素嘗試改變和弱化強的基面織構。 其中，最重要的發現是通過在鎂合金中添加稀土（RE）元素能夠大幅度弱化基面織構，并形成一種特別的”稀土織構“。這種織構能夠改善鎂合金的形變能力和提高鎂合金的各向同性。在過去的20年當中，許多”稀土織構“形成的機理和假設被報道。比如 形核位置的選擇性，非基面滑移的增加，晶粒的取向生長，溶質原子和析出相的阻礙和釘扎等等，但是大部分機理沒有達成共識。 驗證所有提出來的機理和假設需要設計很多復雜實驗，而且也不能研究的很徹底。Prof Mark Rainforth課題組官迪凱博士集中研究了不同形核位置對再結晶織構演變的影響。

一、孿晶再結晶晶粒對再結晶織構有重要貢獻

在過去的20年，研究人員普遍認為孿晶再結晶晶粒在長大過程中受到原有的孿晶界的限制，晶粒尺寸不會超過孿晶的大小，因而在完全再結晶以后，孿晶對再結晶織構的影響似乎是非常有限的。然而，也有文獻報道，孿晶再結晶晶粒是可以長出原有的孿晶界的，但是沒有統計孿晶再結晶體積分數。電子背散射衍射技術（EBSD）近些年來被用來鑒別孿晶類型，分析再結晶織構，統計晶粒大小和晶粒取向。然而，大部分研究得到的EBSD 結果都是針對再結晶過程中的一個點或者幾個單獨的點來進行研究，而不是針對一個連續的再結晶過程，這樣導致得到的實驗結論不能全面闡述孿晶再結晶機理。Prof Mark Rainforth和官迪凱博士通過準原位EBSD 跟蹤研究了整個靜態再結晶過程中各種類型的孿晶再結晶的過程。研究結果表明，常見的拉伸孿晶（10-12）在整個再結晶過程中不會成為有效的再結晶形核位置，而二次孿晶(10-11)-(10-12)是很活躍的形核位置，并且再結晶晶粒能夠長出原有孿晶界和消耗變形晶粒，尤其是二次孿晶以網狀形態分布。經過統計，作者發現孿晶再結晶晶粒的體積分數占到了整個再結晶體積分數的~70%, 表明孿晶，尤其是網狀分布的二次孿晶再結晶晶粒對再結晶織構有重要貢獻，推翻了以前一貫認為的貢獻非常有限的理論(D. Guan, W.M. Rainforth, L. Ma, B. Wynne, J. Gao, Acta Mater. 126 (2017) 132-144)

圖1 準原位EBSD IPF 圖，退火溫度490°C

(a–e) 拉伸孿晶; (f–k) 拉伸孿晶，二次孿晶; (l–q) 網狀分布的二次孿晶

圖2 再結晶體積分數隨著退火時間的變化

二、孿晶再結晶形成”稀土織構”的機理研究

上述研究中，作者采用的是比較大的初始晶粒的樣品，所以在一定的研究區域中，晶粒個數有限，不利于做再結晶織構的統計研究。作者在接下來的研究中分析了一個初始晶粒尺寸比較小的WE43 鎂合金樣品，有利于進行代表性的統計分析。再一次利用準原位EBSD 技術對整個再結晶過程進行了全程跟蹤(熱處理時間達到了1520分鐘)，解答了困擾了研究人員多年的以下幾個問題：

(1)在鎂稀土合金中，孿晶再結晶能形成“稀土織構”嗎？（2）如果能形成，是再結晶形核階段形成還是再結晶晶粒長大過程中形成？（3）在晶粒長大過程中，晶粒是否有取向生長，取向生長的原因是什么？

本文采用的WE43鎂合金是經過固溶處理的樣品，所以第二相粒子對再結晶的影響可以忽略。經過冷軋后，有大量的孿晶產生，但是基本上沒有看到剪切帶，所以剪切帶對再結晶的影響也可以不用考慮。因此，對于形核位置而言，在這個實驗中作者只用考慮原有晶界和冷軋長生的孿晶對再結晶織構的影響。通過準原位EBSD 的跟蹤，作者發現“稀土織構”在形核階段就已經產生，而且這個織構的形貌一直維持到了再結晶結束。在整個再結晶過程中，沒有發生晶粒取向生長而是各個取向的經歷均勻生長。

圖3 準原位EBSD IPF 圖

(a) 5; (b) 12; (c) 21; (d) 39; (e) 90; (f) 114; (g) 163; (h) 242; (i) 341; (j) 520; (k) 920; (l) 1520 分鐘退火

圖4 再結晶晶粒(0002) 極圖

(a) 5; (b) 12; (c) 21; (d) 39; (e) 90; (f) 114; (g) 163; (h) 242; (i) 341; (j) 520; (k) 920; (l) 1520 分鐘退火

另外，通過很細致的觀察，作者發現很少有晶粒在原有的晶界上形核并長大。為了探究其原因，準原位的SEM 也被采用來觀察退火過程中晶界的變化。 結果發現在再結晶的過程中，有析出相有選擇性的在原有晶界和孿晶界上析出，抑制了原有晶界的移動，從而限制了晶界再結晶的產生，因為晶界再結晶主要是通過strain induced boundary migration。這也是一個間接的原因為什么基面織構會被弱化。而且，析出相的產生也抑制了晶粒的取向生長，這是再結晶織構在整個過程中被穩定維持下來的主要原因(D. Guan, W.M. Rainforth, J. Gao, J. Sharp, B. Wynne, L. Ma, Acta Mater. 135 (2017) 14-24?).

圖5 準原位 SEM 圖

(c）12 分鐘退火；(d) 對應的高倍圖；(e) 163 分鐘退火；(f) 242 分鐘退火

三、再結晶過程中伴隨析出相的產生和對晶粒長大的影響

WE43鎂合金的固溶溫度一般為525 ?C， 在上述研究中退火溫度為490 ?C非常接近固溶溫度。因此在一個溫度的高溫退火中出現這種析出，析出相長大，析出相慢慢溶解的過程是比較少見的。作者利用原位透射電鏡（in-situ TEM）技術清晰展示了這一個過程，并且用準原位EBSD 和SEM 研究了析出相顆粒對再結晶晶粒長大的影響（D. Guan, J. Nutter, J. Sharp, J. Gao, W. Mark Rainforth, Scr. Mater. 138 (2017) 39-43）

圖6 準原位EBSD IPF 圖和對應的SEM 圖

(a-b) 冷軋; (c-d) 退火720s; (e-f) 退火1260s; (g-h) 退火9780s; (i-j) 退火14520s;?(k-l) 退火20460s, 490?C ;(m) 退火1260s后樣品高倍背散圖顯示析出相釘扎晶界，抑制再結晶晶粒的長大?(紅線)

四、剪切帶再結晶織構的機理研究

在鎂稀土合金中，剪切帶再結晶織構可以弱化形變基面織構，但是是否會形成”稀土織構”沒有達成共識，最主要的原因是研究人員研究的合金成分和含量不一樣，導致織構控制的因素也不盡相同。在以下研究中，作者通過多重冷軋和熱處理，使得最后冷軋后的WE43樣品有了更小的晶粒尺寸，第二相粒子基本上都已經固溶到基體，而且產生了孿晶和大量的剪切帶。 為了統計孿晶對再結晶織構的影響，文章先用中倍準原位EBSD 跟蹤了整個再結晶過程，發現孿晶再結晶對最終織構的貢獻只有~5.6%。接下來，又采用高倍準原位EBSD跟蹤晶界再結晶對織構的影響，結果表明相對于剪切帶再結晶織構，晶界再結晶對整個織構的影響也可以忽略。最后，作者用低倍準原位EBSD技術跟蹤了整個再結晶過程來統計剪切帶再結晶織構的演化。

圖7 準原位中倍EBSD IPF 圖

(a) 285s; (b) 585s; (c) 975s; (d) 1575s; (e) 2775s; (f) 5175s 退火. 再結晶晶粒來源于孿晶形核位置的被用橢圓和圓圈標記

圖8 準原位高倍EBSD IPF 圖

(a) 冷軋;?(b) 585s; (c) 975s; (d) 1575s; (e) 2775s; (f) 5175s 退火; (g) 標記的晶粒為晶界再結晶晶粒;(h)（0002）散點(g)中標記晶粒極圖; (i) 剪切帶再結晶晶粒極圖; (j) 圖（f）中所有晶粒極圖

圖9 準原位低倍EBSD IPF 圖

(a) 285s; (b) 585s; (c) 975s; (d) 1575s; (e) 2775s; (f) 5175s 退火

通過準原位EBSD 的跟蹤，作者發現無論實在晶粒形核階段還是晶粒長大過程中，“稀土織構”并沒有產生，而是弱化了的基面織構伴隨有其他離散分布的弱織構，而且這種織構形貌一直維持到了再結晶結束。在整個再結晶過程中，沒有發生晶粒取向生長而是各個取向的經歷均勻生長。同樣的，作者也發現了在再結晶過程中的析出相的出現，長大和溶解的過程。

圖10 再結晶晶粒主要來源于剪切帶結晶的(0002) 極圖

(a) 285s; (b) 585s; (c) 975s; (d) 1575s; (e) 2775s; (f) 5175s 退火

圖11 各個晶粒取向的再結晶晶粒的平均晶粒尺寸隨退火時間的變化

圖12 背散射SEM照片

(a) 285s; (b) 585s; (c) 975s; (d) 5175s ?490 °C 退火

在本文中，作者近似計算了析出相的釘扎力和剪切帶對再結晶的驅動力。結果表明，驅動力基本上為釘扎力的兩倍，所以析出相的出現只能減緩再結晶的晶粒長大速度，抑制晶粒的取向生長，而不能完全阻礙再結晶晶粒的生長。

另外，文章也探討了再結晶溫度對于再結晶織構的影響，當退火溫度低于固溶溫度時，再結晶要不被完全抑制，要不再結晶織構不會出現明顯的弱化。而當退火溫度高于固溶溫度時，再結晶織構明顯偏離了基面織構，而且大小晶粒的織構各不相同。這個結果表明在高溫退火時出現了晶粒取向生長。而控制取向生長的原因不是溶質原子或者析出粒子的作用，而是因為不同的高低晶界能導致不同的遷移速度。

圖13 在等溫退火時，析出相和再結晶在不同溫度下的相互影響

最后，文章也闡述了剪切帶的分布和密度對再結晶的織構也有非常重要的影響。在常規的未添加稀土的鎂合金中，剪切帶一般分布比較稀疏，而且一般不以網狀分布，所以再結晶晶粒很難長出剪切帶的范圍，導致對最終的再結晶織構貢獻較少。然而，晶界再結晶在后期過程中起到了主導作用，所以完全再結晶后，在常規鎂合金中一般得到基面織構（D. Guan, W.M. Rainforth, J. Gao, L. Ma, B. Wynne, Acta Mater，https://doi.org/10.1016/j.actamat.2017.12.019 ）。

團隊介紹

University of Sheffield Prof Mark Rainforth, 英國皇家工程院院士，主要從事微觀結構表征，陶瓷和合金設計研究。詳細個人介紹可見https://www.sheffield.ac.uk/materials/staff/wmrainforth01

官迪凱博士，2015年博士畢業于謝菲爾德材料學院，師從Prof Mark Rainforth。 2011年碩士畢業于中南大學材料學院，師從梁叔全教授，研究鎂合金。博士畢業后，以博士后的身份加入到EPSRC DARE 項目，主要負責鎂合金機理研究和高強鎂合金的設計。已經以第一作者或通訊作者在Acta Materialia, Scripta Materialia, Journal of Alloys and Compounds, MSEA, Materials and Design發表文章數篇。