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引用格式
Han CHEN, Zhang HU, Yu-xiang HAN, Tao CHEN, Chu-ming LIU, Zhi-yong CHEN. Microstructure and mechanical properties of Mg−Gd−Y−Zn−Zr alloy plates with different initial textures after hot rolling[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2024, 34(6): 1804-1816.
研究背景
镁（Mg）合金作为轻质结构材料，在航空航天、轨道交通等领域具有巨大的应用潜力。在众多镁合金中，含长周期有序堆垛（Long-Period Stacking Ordered, LPSO）相的稀土镁合金引起了众多学者的关注。目前，关于初始织构对含LPSO相Mg-Gd-Y-Zn-Zr轧制板材显微组织和力学性能影响的研究较少。本文以含有两种不同初始织构的Mg-4.7Gd-3.4Y-1.2Zn-0.5Zr（wt.%）合金为研究对象，对其进行热轧处理，对比分析了轧制板材显微组织与织构特征，系统研究了显微组织与力学性能之间的关系，为进一步提高含LPSO相Mg-Gd-Y-Zn-Zr轧制板材力学性能提供参考。
文章亮点
采用热轧工艺对含不同初始织构的Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金进行多道次变形，阐明了初始织构对显微组织与力学性能的影响，量化了各类强化机制对合金屈服强度的贡献，发现晶界强化最为有效，而不规则形状LPSO相的承载强化对屈服各向异性起关键作用。
图文解析
图1展示了初始挤压板材的微观组织和织构。从图1（a）、（b）中可以观察到许多形态各异的第二相，且在该挤压板中的层片状晶内第二相（用红色三角形标记）和不规则形状的晶间第二相（用黄色三角形标记）均为14H型LPSO相。图1（c）中的极图表明，该板材具有强烈的〈0001〉//ED织构。
图1 初始挤压板材的微观组织与织构: (a) OM照片; (b) EBSD图; (c) 极图
沿初始挤压板材的TD（Transverse Direction，横向）和ED（Extrusion Direction，挤压方向）截取两块具有不同初始织构的板材。相对于轧制板材坐标系，两块板材的初始织构分别为〈0001〉//TD（板材T）和〈0001〉//RD（板材E），如图2（a）和图2（b）所示。
图2 轧制板材的初始织构：(a) 板材T; (b) 板材E
图3为热轧板材的扫描电镜背散射电子（SEM-BSE）图像。从图中可以观察到不规则形状的LPSO相（用蓝色三角形标记，沿RD方向拉长）及棒状的LPSO相（用绿色三角形标记）。仔细观察发现，在板材T中还存在一些弯曲的层状LPSO相（用红色虚线标记）。
图3 轧制板材的SEM-BSE图像: (a) 板材T; (b) 板材E
图4中呈现了两种轧制板材的{0001}极图和
极图。结果表明两种板材均具有较强的基面织构，但两者之间仍然存在一定差异。对于板材T，如图4（a）所示，{0001}极图的最大极密度为8.3，c轴主要聚集于法向（Normal Direction, ND）。对于板材E，如图4（b）所示，{0001}极图的最大极密度为7.0，c轴偏离ND，形成了双峰基面织构，偏离程度约为10°-15°。
图4 {0001}和
极图以及{0001}极图中偏离ND的角度分布统计: (a) 板材T; (b) 板材E
图5（a）为轧制板材沿轧向（Rolling Direction, RD）和横向（Transverse Direction, TD）样品的工程应力-工程应变曲线，图5（b）为其力学性能的具体数值。对板材T，RD的屈服强度比TD的高16 MPa，差比为6.5%。对于板材E，RD的屈服强度比TD的高12 MPa，差比为5.3%，表明两块轧制板都具有一定程度的屈服强度各向异性。对于两种板材的同一加载方向，板材T沿TD的屈服强度比板材E高23 MPa，沿RD的屈服强度比板材E高27 MPa。另外，所有轧制试样均具有良好的延展性，其断后伸长率位于18%到21%之间。
图5 沿轧制板材不同方向拉伸的力学性能: (a) 工程应力-应变曲线; (b) 力学性能统计
通过对强化机理进行分析，图6总结了所有拉伸试样的晶界强化σgb、固溶强化σss、LPSO相承载强化σlpso、位错强化σdis和理论计算的屈服强度σTYS。结果表明，晶界强化最为有效。屈服强度差异可以通过晶界、位错、固溶和LPSO相承载强化机制来进行分析。分析表明，各向异性主要来源于轧制板材中被拉长的LPSO相，且计算的σlpso数值接近轧制板内沿两个方向屈服强度的差异，可见LPSO相的承载强化在屈服各向异性中起关键作用。
图6 轧制样品的σgb、σss、σlpso、σdis和σTYS计算值
研究结论
（1）具有〈0001〉//RD初始织构的轧制板材具有相对较大的晶粒尺寸和偏离ND方向10°-15°的双峰基面织构。由于在轧制过程中动态再结晶程度更高，具有〈0001〉//TD初始织构的轧制板材晶粒尺寸更细，〈0001〉//ND基面织构更强。
（2）不规则形状的LPSO相沿板材轧制方向拉长引起了各向异性的承载强化行为，并进一步导致了一定程度的屈服强度各向异性。
（3）晶界强化是最有效的强化方法。由于具有更小的晶粒尺寸、更强的基面织构以及LPSO相引起的承载强化，具有〈0001〉//TD初始织构的轧制板材沿RD方向强度最高。
团队介绍
刘楚明，博士，中南大学教授，中国航空学会材料工程分会委员，中国兵工学会材料科学与工程委员会委员。近年来主持国防“173”项目1项，国家自然科学基金面上项目3项，湖南省重点领域研发计划项目1项，其他各类科研项目30余项，经费合计4000余万元；以第一发明人获授权发明专利授权国防发明专利6项、国家发明专利32项；注册国家变形镁合金牌号3个，制订国军标1项《航天用镁合金环形件毛坯规范》；2017年获中国有色金属工业技术发明奖一等奖（排名第1）。针对我国新一代航空航天技术与装备对轻质高强耐热镁合金大规格主承力构件的迫切需求，设计了新型变形镁合金成分体系，开发出耦合多源外场的镁合金铸锭半连续铸造技术，突破了大规格镁合金构件塑性成形技术，制备的变形镁合金产品已成功用于我国航空航天装备承载结构件。
陈志永，博士，中南大学教授。主要从事有色金属塑性变形机理、织构与各向异性及高性能镁合金组织与性能调控的研究，先后承担和参加了“973”计划、重点研发计划、军品配套、基础加强重点基础研究计划、国家自然科学基金等多个项目/课题的研究，在金属材料领域国内外知名学术期刊发表学术论文150余篇，获省部级/行业一等奖4项、湖南省教学成果一等奖1项。
刘华山，中南大学教授，博士生导师。主攻材料基因工程，长期从事合金相图测定、热力学计算与相变动力学及合金设计研究，在Acta Mater.、Phys. Rev. Lett.、J. Mater. Res.、Intermetallics、J. Alloys & Compds.、CALPHAD、Mater. Sci. Eng. A等国际知名学术刊物上发表论文170余篇，已申报多项镁合金国家发明专利，构建了Mg-Gd-Y-Zr-Ag-Er多元体系热力学数据库，获国家发明专利5项。
刘祖铭，中南大学教授，博士生导师，粉末冶金国家工程研究中心副主任，粉末冶金结构材料研究所所长。主要从事轻质高强结构材料、飞机结构材料腐蚀损伤及控制技术和粉末冶金结构材料研究，在Applied Physics Letters、Additive Manufacturing和中国有色金属学报等国内外著名刊物发表论文、撰写型号技术文件100多篇/份，出版专著5部，起草航空工业标准1项，申请/授权国家发明专利70多项、PCT/美国发明专利13项，获省部级科技成果奖4项。
蒋树农，中南大学材料科学与工程学院副教授，博士生导师。从事高性能变形镁合金成分设计、塑性加工工艺、热处理工艺及微观组织分析等方面的研究，主持及参加各类科研项目10余项，开发了3个新型变形镁合金牌号AQ80M、VW64M和VW93M，发表论文60余篇，以第一发明人获授权发明专利4项， 2017年获中国有色金属工业技术发明奖一等奖（排名第2），参与制定国军标1项，国家标准1项。参与制备的镁合金大构件已在航空航天多个重大型号上取得了成功应用。
高永浩，中南大学材料科学与工程学院副教授，博士生导师。长期从事高性能镁合金材料设计及塑性成形理论及工艺研究，承担/参与了“173”重点项目课题、湖南省重点研发计划、装备预研、湖南省自然科学基金等科研项目10余项，获中国有色金属工业科学技术奖（发明）一等奖（排名第3），发表学术研究论文70余篇，总被引1900余次，获授权发明专利5项。
古一，中南大学材料科学与工程学院副教授。主要从事材料表面处理与防护方面，包括高温合金及防护涂层、镁合金耐蚀耐磨涂层材料、C/C复合材料防护涂层研究、热喷涂技术及涂层、热处理保护涂层等研究，主持和参与国家自然科学基金4项，主持XX预研项目4项，湖南省自科基金1项，所研发的涂层材料成功应用于航空航天等关键领域。
陈汉，硕士研究生。研究方向为稀土镁合金，以第一作者在Transactions of Nonferrous Metals Society of China、Journal of Alloys and Compounds等期刊发表SCI论文2篇。
消息来源：中国有色金属学报
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