镁合金由于其密排六方晶格结构,通常在室温下塑性较差。改善镁合金的塑性变形性能是开发变形镁合金的关键。在镁金属中添加锂,可以形成BCC晶格的β相,与HCP晶格的α2Mg相比具有更高的冷、热变形能力。然而这些镁合金固溶强化效果不显著,加工硬化效应低,抗蚀性差,很难工业应用。Agnew等认为可以通过细化镁合金的晶粒组织来改善镁合金的延性。

一、剧塑性变形

通过剧塑性变形工艺来细化合金的晶粒组织已经成为研究的热点。相对传统的塑性变形工艺而言,SPD技术的设计目的是,在变形过程中保持坯料的外形基本不变,在不改变材料外形尺寸的基础上对材料施加大的塑性变形,从而可达到的应变不受材料外形的影响。材料经过剧塑性变形可以获得大的塑性变形,极大细化晶粒组织,SPD技术能制备的最小晶粒尺寸为亚微米的尺寸水平。大多数SPD过程实质上是一种循环的变形过程,但通常会有变形路径的变化。近20年来开发了几种SPD技术来制备具有超细晶组织的块材和板材,如等通道挤压、高压扭转和多轴压缩/锻造等技术用于制备块体材料的超细晶组织；反复弯曲和矫直工艺、等通道挤压2轧制、累积叠轧和连续剪切变形等技术用于制备具有超细晶组织的板带材。

二、剧塑性变形技术在镁合金上的应用研究

1、等径角挤压

等径角挤压是近来研究中比较受重视的一种新的挤压工艺,它能够使材料获得大的剪切应变,从而使晶粒细化到微米、亚微米及纳米尺度。文献认为ECAE使晶粒细化是由于在挤压过程中出现了再结晶。等通道转角挤压镁合金由于获得了超细晶组织,因此在一定温度下具有很好的超塑性能,如采用等通道转角挤压制备的AZ91镁合金晶粒尺寸为1μm左右,在200℃温度获得了661%的超塑性。Mu2kai等在研究中发现,ECAE挤压可使AZ31镁合金在室温下获得约50%的高伸长率。

本课题组也对一些镁合金进行了等通道转角挤压研究,实验结果表明,经过ECAE挤压的AZ31镁合金(模角为120°及90°、应变量为8)在室温下伸长率高达45%～55%,抗拉强度变化不大,屈服强度却显著下降。此外,不同ECAE工艺路径对镁合金的力学性能有不同影响。而对AZ80镁合金及ZE10镁合金进行ECAE挤压研究时发现,尽管晶粒显著细化,室温下伸长率没有显著增加,不过高温下的超塑性能得到大量改善。此外,由于镁合金在低于225℃以下塑性变形性能较差,罗蓬等的研究表明:为了使镁合金ECAE过程在较低温度下进行,在ECAE模具出口处施加背压可以有效提高镁合金ECAE的加工稳定性、抑制镁合金变形过程中裂纹的形成与生长。

尽管ECAE可以被用于制备晶粒细小的块体材料,但材料的尺寸仍然较小。

2、累积叠轧工艺

在累积叠轧工艺中,厚度为1mm的板材被迭轧,道次压下量为50%,然后剪断材料再进行叠轧,如此反复多次,材料的晶粒组织显著细化,材料的强度和延性得到大的改善。ARB工艺可以制备晶粒小于1μm的细晶组织,ARB材料的抗拉强度通常是原始材料的2～4倍。ARB工艺的优越性在于可以被工业应用于制备超细晶组织的板材。ARB已被成功应用于纯铝、铝合金和IF(interstitialfree)钢及少量的变形镁合金,其中ARB铝合金包括纯铝(1100)、Al2Mn(3003)、Al2Mg(5083)、Al2Mg2Si(6061)、Al2Cu合金和铝基复合材料。

关于镁合金ARB工艺及组织的研究较少,对AZ31、AZ91合金在400℃进行ARB,初始晶粒分别为38μm和23μm。结果表明:AZ31经过ARB后,晶粒呈等轴晶状,晶粒尺寸为4μm,此后稳定在3μm左右;AZ91经过1道次后晶粒尺寸小于1μm,此后均匀化。随Al含量增加,晶粒尺寸减小,可归因于:①Al含量增加,析出相增加,小的析出相可阻止晶界运动,使细晶稳定化；②Al含量增加,Al在晶格中的固溶增加,可更好地阻碍位错运动,阻碍回复的发生,使晶粒更细小。AM60镁合金在375℃时、80%的道次变形量轧制后可以获得微米级的晶粒组织。

大多数SPD工艺的局限性在于不能制备大尺寸的块体材料。而恰恰是大尺寸的结构材料对强度和韧性的要求较高。从这方面来看,ARB技术具有自身突出的优越性。与ECAE工艺相比,ARB轧制工艺的优势在于成本较低,工艺简单,可以制备大规格的板带材,可以比较容易地实现工业化生产。

3、多轴压缩/锻造

多轴压缩锻造工艺中,模具的宽度和坯料的高度相同,因此变形过程中,材料发生压缩变形,变形后材料的宽度变成原来高度的尺寸,总体外形尺寸不变,通过旋转坯料90°,压缩变形可以反复进行,可以获得很大的累积应变。郭强等对AZ80镁合金的多向锻造研究表明,多向锻造工艺可以制备1～2μm的晶粒组织,锻造后材料的强度是铸态的2倍。