李景仁,谢东升,张栋栋,谢红波,潘虎成,,任玉平,秦高梧

镁合金作为最轻的金属结构材料，在航空航天、轨道交通和3C产品等减重领域得到了广泛关注[1~4]。然而，传统镁合金材料一直面临绝对强度偏低和室温可加工性能差等瓶颈问题，限制了其广泛应用[5,6]。近年来，“低合金化”逐渐成为变形镁合金一个新的发展方向，即使用尽量低的溶质含量以期获得高的强度和可加工性[7]。然而，合金元素的减少往往会削弱固溶强化和沉淀强化效果。因此，对于具有高Hall-Petch斜率的镁合金而言，晶粒细化便成为开发新型高强度、低合金化镁合金体系的有效强化途径之一[8,9]。

近日，Li等[10]报道轻稀土元素Ce可提升基面滑移和非基面滑移的临界分切应力值，同时降低非基面滑移和基面滑移临界分切应力比，从而实现<c + a>型位错高比例开动，<c + a>型位错参与形成小角度晶界，进而实现镁合金晶粒细化。Ca是一种低成本的碱土元素，在镁合金中具有与稀土元素类似的晶粒细化效果。近期的研究[11]表明，挤压态Mg-Ca二元合金的晶粒尺寸可强烈细化至1 μm以下。据此，人们发展出了一系列以Ca作为主添加元素的Mg-Ca系合金，包括Mg-Ca-Al[12]、Mg-Ca-Zn[13]、Mg-Ca-Sn-(Mn)[14]及Mg-Ca-Al-Zn-(Mn)[15]等。譬如，Pan等[16]报道的Mg-1.0Ca-1.0Al-0.2Zn-0.1Mn合金的屈服强度可达约425 MPa，延伸率达11%，表现出优良的强塑性匹配。然而，目前开发镁合金的Ca含量依然较高，这会对合金的诸多性能产生不利影响。首先，高Ca含量的镁合金出现热裂纹的倾向严重，因此大尺寸锭坯的铸造和热处理成本大幅增加[17]。此外，高Ca镁合金在挤压过程中由于共晶温度较低，容易在样品表面产生微裂纹，无法满足疲劳力学性能、二次成形加工等的服役要求[18]。研究[19]表明，Ca在镁合金中作用和轻稀土元素Ce类似，包括但不限于细化组织和形成“稀土织构”组分等，但是2者对合金力学性能影响的关联性和叠加效应还缺乏系统研究。基于此，本工作拟添加少量Ce元素，并将Ca含量降至约0.2% (质量分数)，设计制备新型低合金化的Mg-0.2Ce-0.2Ca (质量分数，%，下同)合金，以期阐明Ce和Ca元素共添加对镁合金组织演变与力学性能的影响。

1实验方法

依据PanMg2017数据库通过Pandat相图计算软件得到Mg-Ce-Ca三元合金的垂直截面计算相图，如图1所示，据此设计成分为Mg-0.2Ce-0.2Ca的镁合金。实验所需的合金铸锭是在750℃下进行真空熔炼获得，得到直径45 mm、长80 mm圆柱试样，铸锭经530℃保温12 h固溶处理后获得单相固溶体组织。随后在800T立式反挤压机上挤压得到直径10 mm圆棒，挤压温度280℃，挤压速率0.4 mm/s。

图1

图1Pandat计算Mg-0.2Ce-xCa合金的纵截面相图

Fig.1Vertical sectional phase diagram of Mg-0.2Ce-xCa alloy calculated by Pandat software (x—mass fraction of Ca (0~2%),T—temperature)

采用AG-X Plus电子万能材料试验机测试Mg-Ce-Ca合金的力学性能，拉伸方向平行于挤压方向(ED)，应变速率为0.001 s-1；采用苦味酸酒精溶液对镁合金腐蚀后，利用GX71光学显微镜(OM)观察显微组织；采用机械抛光+氩离子刻蚀(GATAN Ilion II 697)结合制备背散射电子衍射(EBSD)样品，并在配备HKL Nordlys EBSD探头的Crossbeam 550场发射扫描电子显微镜(SEM)上进行EBSD数据采集与分析(Aztec crystal 2.1)，以获取晶粒尺寸、取向、晶界类型以及位错密度等微观结构参量。为系统研究镁合金在挤压过程中的微观组织演变规律，采用JEM-2100F透射电子显微镜(TEM)对距离挤压出口处不同距离的样品观察微观组织，操作电压200 kV，并结合弱束暗场像分析技术(WBDF)以及g·b= 0位错不可见判别准则，对挤压过程中启动的孪晶/位错类型、组态与分布等进行系统表征。

2实验结果

2.1挤压态合金的微观组织和力学性能

图2a示出了挤压态Mg-0.2Ce-0.2Ca合金的工程应力-应变曲线，合金的屈服强度为364 MPa，抗拉强度为374 MPa，延伸率约2.5%。表1[20,21]总结了典型商用挤压镁合金与新型Mg-Ce-Ca合金的力学性能。屈服强度和延伸率的关联分布结果如图2b所示。可以看出，新型Mg-0.2Ce-0.2Ca合金的屈服强度水平最优，较AZ系商用镁合金合金高100~170 MPa，较WE43稀土镁合金高出约150 MPa，即实现了高强度、低合金化(仅约0.4%)，如表1[20,21]所示。图2c给出了单位溶质含量下屈服强度相较纯Mg提高值(屈服强度提高率)与延伸率关联分布结果，Mg-Ce-Ca合金高达约700 MPa/%，而商用镁合金的“屈服强度提高率”普遍低于150 MPa/%，表现出了显著的低合金化优势。

图2

图2挤压态Mg-0.2Ce-0.2Ca合金力学性能和微观组织

Fig.2Mechanical properties and microstructure of as-extruded Mg-0.2Ce-0.2Ca alloy (DRX—dynamic recrystallization, ED—extrusion direction, IPF—inverse pole figure)

(a) engineering stress-strain curve of as-extruded Mg-0.2Ce-0.2Ca alloy

(b, c) distribution maps of yield stress (YS) (b) and YS increment per weight (c)vselongation of Mg alloys based on diverse alloy system[20,21]

(d) OM image (e) EBSD IPF map

(f) mean DRXed grain size distribution of Mg-0.2Ce-0.2Ca alloy (Inset shows the IPF of DRXed grains) (The color strip represents intensity represented as multiple of random distribution, the same in Figures below)

表1典型挤压商用镁合金与新型Mg-0.2Ce-0.2Ca合金力学性能[20,21]

Table 1Mechanical properties of commercial Mg alloys and Mg-0.2Ce-0.2Ca alloy[20,21]

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图2d~f示出了挤压态Mg-0.2Ce-0.2Ca合金的微观组织。图2d表明，挤压态合金包含双组态的晶粒结构，由细小的动态再结晶晶粒和沿ED方向拉长的未再结晶晶粒组成，再结晶比例约83%。图2e给出了挤压态合金的EBSD取向成像图(IPF模式)，其中未再结晶区晶粒的取向较为一致，表现出典型的<10$\overline{\mathrm{1}}$0>//ED纤维型织构，同时有大量的小角度晶界(LAGB)分布其中，而再结晶区晶粒取向更为随机。结合图2f中的反极图结果可知，再结晶区的织构主要包含有<10$\overline{\mathrm{1}}$0>//ED的纤维织构组分以及取向更为随机的<44$\overline{\mathrm{8}}$3>//ED稀土织构组分。基于晶粒尺寸的分布图(图2f)统计可得，再结晶区晶粒的平均晶粒尺寸约为0.86 μm。

2.2挤压过程中的微观组织演变行为

图3示出了Mg-0.2Ce-0.2Ca合金挤压过程中的显微组织演变。在挤压变形的早期阶段(21~18 mm，图3d)，可以观察到高密度的孪晶片层组织，在挤压中期阶段(13~10 mm，图3c)，孪晶片层更为细密且孪晶的百分比保持较高，而在挤压的后期阶段(5~2 mm，图3b)，动态再结晶晶粒开始大量出现并形成了双组态的晶粒组织。为进一步阐明挤压过程中各变形机制的开动情况，图4~7分别示出了距离挤压出口17.5、12.5、7.5和2.5 mm处微观组织的EBSD和TEM像。

图3

图3Mg-0.2Ce-0.2Ca合金挤压过程组织演变OM像

Fig.3OM images of the interrupted extrusion sample of Mg-0.2Ce-0.2Ca alloy

(a) low magnified microstructure near the die exit (Inset shows the view surface diagram)

(b-d) magnified microstructures right below the die exit at the locations as marked by rectangles in Fig.3a

图4

图4距离挤压出口17.5 mm位置处的典型EBSD和TEM像

Fig.4Typical EBSD and TEM images at the position of 17.5 mm below extrusion die exit of Mg-0.2Ce-0.2Ca billet

(a) the IPF map

(b) grain boundary (GB) and twin boundary (TB) (θ—crystallographic misorientation angle between the two sides of the boundary)

(c) enlarged zone of Fig.4b (The schematic insert in Fig.4c illustrates characteristic position of the billet below extrusion die exit in Figs.4-7)

(d-f) existence of <a> dislocations (d) and <c+a> dislocations (e, f) (Insets in Figs.4e and f show the two-beam conditions ofg= 0002 andg= 11$\overline{\mathrm{2}}$0, respectively)

图5

图5距离挤压出口12.5 mm位置处的典型EBSD和TEM像

Fig.5Typical EBSD and TEM images at the position of 12.5 mm below extrusion die exit of Mg-0.2Ce-0.2Ca billet

(a) EBSD IPF map (b) GB and TB (c) IPF

(d) IPF map of selected grains from Fig.5a

(e-j) TEM images showing twinning (e, f), low-angle grain boundary (LAGB) (g, i), <c>-component dislocations (h), and nano second phases (j) (Arrows in Figs.5g and h represent <c>-component dislocations)

图6

图6距离挤压出口7.5 mm 位置处的典型EBSD和TEM结果

Fig.6Typical EBSD and TEM images at the position of 7.5 mm below extrusion die exit of Mg-0.2Ce-0.2Ca billet

(a) EBSD IPF map (b) GB and TB (c) IPF (d) selected area from Fig.6a

(e-j) TEM images showing dislocation tangles (e), DRXed grains (f), LAADF-STEM image (g), <c>-component dislocation (h, i), and HAADF-STEM image (j) (LAADF-STEM, HAADF-STEM—low and high angle annular dark-field scanning transmisson electron microscopy, respectively)

图7

图7距离挤压出口2.5 mm位置处的典型EBSD结果

Fig.7Typical EBSD results at the position of 2.5 mm below extrusion die exit of Mg-0.2Ce-0.2Ca billet, showing the IPF map (a), GB and TB (b), IPF (c), and selected area in Fig.7a (d)

图4a和b分别对应约17.5 mm处的EBSD IPF模式取向成像图和晶界分布图。该阶段已有高密度、较大片层厚度的孪晶被激活，且缺陷类型可判断为{10$\overline{\mathrm{1}}$2}拉伸孪晶；但是由于形变量有限，此时合金晶粒的取向仍较为随机。图4c示出了选定较大晶粒内的孪晶形貌，可以看出绿色片层和蓝色基体互为孪晶，而黄色片层也和蓝色基体互为孪晶，即有不同的孪晶变体被激活。另外，EBSD的结果还表明晶粒内部存在微小的取向转变，这是由于位错的启动导致了晶格畸变，激发的位错组态如图4d~f所示。基于B= 11$\overline{\mathrm{2}}$0入射轴的双束分析可知，图4d中g= 10$\overline{\mathrm{1}}$0衍射条件下对应的位错类型为<a>位错；图4e和f为同一区域分别在g=$\mathrm{0002}$和g= 11$\overline{\mathrm{2}}$0衍射条件获得的弱束暗场像，其中图4e表明该区域的位错为含有<c>组分位错，图4f中表明这些位错同时含有<a>组分，即启动了<c + a>型位错，同时，这些<c + a>位错线大多垂直于基面，表明形成了大量的<c + a>螺型位错。

图5a和b分别示出了约12.5 mm处的IPF模式取向成像图与晶界分布图。随着挤压的进行，该阶段样品晶粒开始逐渐形成<10$\overline{\mathrm{1}}$0>//ED丝织构，织构强度约3.30 mrd (multiple random distribution) (图5a~c)，以及稀土组分的织构(<44$\overline{\mathrm{8}}$3>~<22$\overline{\mathrm{4}}$3>//ED)，织构强度约2.08 mrd (图5c)。与此同时，由于孪晶片层的迁移速率较慢，孪晶占比已由17.5 mm位置处的约28.8%提升至12.5 mm位置处的约31.4%，孪晶密度显著提高(图5b)。图5d示出了图5a中选定区域晶粒1~5的IPF模式取向成像图及对应的反极图，其中取向接近<0001>的4#和5#晶粒由于发生了{10$\overline{\mathrm{1}}$2}孪生变形导致其占比很低，取而代之的是转动了近90°后形成的取向为<10$\overline{\mathrm{1}}$0>//ED的3#晶粒，同时1#晶粒与3#的晶粒互为孪晶关系，而2#晶粒和3#晶粒互为孪晶关系，即由于二次孪生的启动导致了上述稀土组分织构的形成。更重要的是，该阶段样品中的小角度晶界含量大幅度提升，即晶粒内部已开始发生动态回复。

图5e~j示出了12.5 mm位置处的TEM结果，包含典型的拉伸孪晶片层组织(图5e和f)以及晶粒内部动态形成的小角度晶界(图5g和i中虚线)，与EBSD结果保持一致。同时，该阶段镁合金样品的累计应变量较大，启动了高密度位错。图5g和h为临近区域，其中星号标注的位置可作为参考，满足g= 0002双光束条件的图5h表明该区域含有大量含<c>组分的位错，即<c + a>位错；与17.5 mm位置处不同，该阶段样品中的<c + a>位错线大部分平行于基面，伴随有少量的位错线与基面成一定夹角，即出现了大量<c + a>刃型位错以及少量的<c + a>混合型位错，启动的高密度位错逐渐演变为亚晶片层组织。Wang等[22,23]报道在镁合金的孪晶过程中会发生位错与孪晶界的交互作用，即在运动中的孪晶界面处会形成<c + a>刃型位错和/或I1型层错。因此，本阶段的高密度<c + a>刃型位错可能与大量孪晶界面的迁移有关。图5i示出该阶段镁合金的基体中析出高密度球状第二相(尺寸10~20 nm)，结合相图可知形成的第二相主要为Mg12Ce和Mg2Ca相。

图6示出了距离挤压出口7.5 mm位置处的显微组织。该阶段样品的孪晶界和小角度晶界被大量消耗，大角度晶界明显增多(图6a和b)，表明动态再结晶已大量启动；从图6b中选定区域的放大图(图6d)中可以看出，动态再结晶晶粒主要是在2组孪晶变体的交割区域形核长大，且对应的织构类型表现为典型的<10$\overline{\mathrm{1}}$0>//ED基面丝织构。同时，该阶段样品的整体织构也表现为<10$\overline{\mathrm{1}}$0>//ED基面丝织构(图6c)。图6e~j示出7.5 mm位置处的TEM像，未再结晶区中存在有高密度的残余位错，满足g= 0002双光束条件的图6h和i表明该区域含有大量<c + a>位错，但区别于挤压早期阶段，此时的<c + a>位错均表现为刃型位错，且部分<c + a>刃型位错开始沿着基面发生宽化，即有一定比例的位错可能已分解成包含I1型层错的不全位错[24]。图6f和g证实了高比例再结晶晶粒的出现，晶粒尺寸范围100~200 nm。图6g的低角度环形暗场像(LAADF-STEM)表明有尺寸范围10~50 nm的纳米第二相弥散分布于晶粒内部，而在图6j的未再结晶区域高角度环形暗场像(HAADF-STEM)表明有尺寸范围20~30 nm的链状第二相，这些第二相可能是分布于原始的孪晶界面处，并随着孪晶界的迁移而保留于Mg基体之中。

图7示出了距离挤压出口2.5 mm处的微观组织。显示动态再结晶已大量发生，大角度晶界占比约60%，形成了典型的双组态晶粒组织，同时还伴随有少量的拉伸孪晶，即孪晶界面的热稳定性好。未再结晶区表现出了典型的<10$\overline{\mathrm{1}}$0>//ED的硬取向，而图7a中选定区域的反极图(图7d)证实了动态再结晶晶粒同样为<10$\overline{\mathrm{1}}$0>//ED的择优取向，因此该阶段样品的整体织构表现为强的基面丝织构，织构强度约10.51 mrd，其中再结晶晶粒的织构强度较弱，约3.76 mrd，再结晶晶粒的取向随机现象同文献[25]中报道的结果相一致。

3分析讨论

3.1动态再结晶机制

镁合金变形过程中的微观组织演变行为与基体的滑移、孪生等变形机制的启动密切相关。本工作涉及的是一种Mg-0.2Ce-0.2Ca三元合金，因此Ce、Ca 2种元素对Mg基体中各变形机制临界剪切应力(CRSS)的调控作用均会对挤压组织演变产生影响。Li等[10]近期研究了Mg-0.2Ce二元合金的挤压组织演变规律，发现Ce元素的单独添加对镁合金基体中孪生行为的调控作用有限，即孪晶在挤压变形的早期阶段即可快速完成，Ce元素主要是通过改变非基面<c + a>、基面<a>、柱面<a>等滑移的CRSS，从而将主导变形机制由纯Mg的基面/柱面<a>滑移转变成了Mg-0.2Ce二元合金的<c + a>滑移，进而提升由<c + a>位错组成的位错墙热稳定性。这一结果同Ye等[26]报道的Mg-Ce二元合金纳米柱压缩实验结果一致，即Ce元素的添加对Mg基体孪生的CRSS影响较小(与纯Mg相当)，因此启动后的孪晶界面可迅速扩展进而吞并整个原始晶粒，孪晶变体少。另一方面，Ca元素对镁合金基体孪生变形CRSS的影响显著。Wang等[27]最近报道了0.2%Ca的添加即可强烈提升镁合金基体孪晶生长的CRSS至约40 MPa，较纯Mg的孪晶生长CRSS (约12 MPa)提升了近4倍。这一实测结果很好佐证了本工作中出现的高密度孪晶片层组织，即由于Ca的添加导致Mg-0.2Ce-0.2Ca三元合金的孪晶生长强烈受阻，在整个挤压过程中表现出好的孪晶片层组织稳定性，且需不断启动新的孪晶变体以协调变形，因此孪晶片层的厚度较小(3~5 μm)，如图4~6所示。

图8和9分别示出了挤压过程不同阶段的晶界取向差分布以及小角度晶界和孪晶界占比分布图。首先，在挤压的整个阶段均有孪晶的存在，证实了Mg-Ce-Ca合金中孪晶迁移的高阻力，随着挤压进行至中后期阶段(7.5~2.5 mm)，部分动态再结晶晶粒沿着孪晶变体交割区域形核才导致孪晶界面比例的显著降低，这说明孪晶诱导形核是该体系合金的一个重要再结晶形核机制，如图6a~d所示。其次，小角度晶界的比例代表的是存储位错密度含量，在挤压中前期(17.5~7.5 mm)的比例一直维持在较高的水平，各阶段未再结晶区内的双束衍射TEM结果也表明了位错含量较高，如图3~6所示。在挤压后期(7.5~2.5 mm)，形成的小角度晶界吸收新的位错并逐渐演变成为大角度晶界，完成了存储应力的释放，并因此导致小角度晶界含量显著减少。因此，在除了孪晶诱导形核的其他大部分未再结晶区域，位错主导的回复机制对镁合金基体中的动态再结晶行为起到了关键作用，并且同已报道的Mg-Ce二元合金的结果[10]一致，Mg-Ce-Ca三元合金中启动的同样是高比例的<c+a>位错，因此回复再结晶行为相对滞后，直至挤压变形的后期才得以发生。图7和9均示出了2.5 mm位置的位错/小角度晶界的数密度大幅度降低，并逐渐演化为图2d和e中所示的挤压态合金的双组态晶粒组织。

图8

图8距离挤压出口不同位置处取向差角分布图

Fig.8Distribution diagram of misorientation angle at different positions from extrusion die exit

图9

图9距离挤压出口不同位置处小角度晶界和孪晶界占比分布

Fig.9Proportion distribution of low angle grain boundary and twin boundary at different positions from extrusion die exit

3.2强化机制

图10示出了挤压态Mg-Ce-Ca合金的局部取向差(kernel average misorientation，KAM)和晶界图。可以看出，相比于再结晶区，未再结晶区的晶格畸变更大，其内部存储的残余位错密度更高。根据Ashby[28]和Kubin等[29]的研究结果，基于应变梯度模型，依据KAM图数据可以计算得出镁合金中的几何必需位错(GND)的密度(ρGND)：

图10

图10挤压态Mg-Ce-Ca合金的局部取向差和晶界叠加处理图

Fig.10KAM + GB overlapped map for as-extruded Mg-Ce-Ca alloy (KAM—kernel average misorientation)

式中，μ为EBSD扫描步长(111.3 nm)；b为Burgers矢量模(0.321 nm)；${\overline{?}}_{\mathrm{K}\mathrm{A}\mathrm{M}}$为根据KAM图数据结果计算得到的平均取向差值，任意一点的局部取向差通过与周围24个点取向差的平均值确定(5 × 5)。取向差大于2°即被认作是形成了晶界(小角或大角度晶界)，因此在计算残余位错密度时将取向差角大于2°的区间排除。依据KAM图数据计算得到${\overline{?}}_{\mathrm{K}\mathrm{A}\mathrm{M}}$= 0.00966 rad，带入式(1)可得挤压态合金的平均残余位错密度ρGND= 5.41 × 1014m-2。

参考文献[15,30]中强度预测的计算模型，对镁合金的屈服强度(σys)的主要贡献可分为晶格自摩擦应力、晶界强化、位错强化、第二相强化等，计算模型公式如下：

式中，σ0为晶格摩擦应力，也是Hall-Petch公式中的截距；ky为Hall-Petch斜率，2者一般为实验测量和统计值，该值与镁合金合金体系和织构有关；d为晶粒尺寸；σdislo.和σOrowan分别是位错和第二相对屈服强度的贡献。镁合金中Hall-Petch系数受添加合金元素种类和工艺影响，因为2者会影响变形机制(<a>位错、<c + a>位错、孪晶)的开动比例、织构，以及各滑移系的CRSS。Wen等[31]的研究表明，含有稀土织构组分的挤压态Mg-2.22Gd的σ0和ky分别为5 MPa和285 MPa·μm0.5。本工作制备的Mg-0.2Ce-0.2Ca合金具有类似的稀土织构组分，参考该值计算可得当d= 0.86 μm时，晶界强化对屈服强度的贡献为250.1 MPa。根据Pan等[15]的研究结果，位错对强度的贡献可通过下式计算：

式中，α为常数(0.2)，M为Taylor因子(本工作取值2.5)，G为剪切模量(17 GPa)。代入前文估算得到的ρGND值，可得位错强化对屈服强度的贡献为63.3 MPa。根据Wang等[32]的计算结果，σOrowan可通过下式计算：

式中，G= 17 GPa，b= 0.321 nm，λ为颗粒间间距，ν为Poisson比(取0.35)，dp为平均等效直径，r0为位错核半径(0.32 nm)。根据图6g和j以及TEM照片的统计结果，可以得出dp= 28 nm，λ= 75 nm，从而计算出Orowan强化贡献的屈服强度提高值为31.4 MPa。因此，可以看出，挤压合金主要的强化机制是细晶强化。由计算得到的晶格摩擦阻力、晶界和挤压态组织中残余几何必需位错对挤压态组织屈服强度的预测值为344.8 MPa，而实验测得的屈服强度为364 MPa。本工作制备的挤压态Mg-Ce-Ca合金是混晶组织，计算值比实测值低约20 MPa可能来自于粗晶的织构强化和组织的异构强化[33]。

4结论

(1) 挤压态Mg-0.2Ce-0.2Ca合金的屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为364 MPa、374 MPa和2.5%，强度水平均优于传统的商用镁合金，并实现了高强度和低合金化。

(2) 组织演变结果表明，孪晶存在于挤压的整个阶段，即表现出了高的孪晶运动阻力，这主要是与Ca元素的添加导致孪晶的临界运动阻力增大有关；高密度的孪晶变体交割并诱导了部分动态再结晶晶粒在约7.5 mm挤压位置处开始形核。

(3) Mg-0.2Ce-0.2Ca合金在挤压变形的早期阶段即存储了大量<c+a>位错，但是锥面位错的运动阻力较大，导致位错回复主导的再结晶机制直至挤压变形的后期才开始大量启动，回复再结晶的迟滞效应直接导致了细小再结晶晶粒的形成(约0.86 μm)以及高的屈服强度(约364 MPa)。