摘要：为阐明静液挤压镁合金在塑性变形过程中的微观组织演化规律及其对应的力学响应机理，文章通过脱模方式得到挤压过程中不同阶段的中断样品，分别对挤压前、挤压中及挤压后的试样进行微观组织表征和力学性能测试。研究结果表明，静液挤压过程可诱发变形孪晶与剪切带，显著细化镁合金晶粒。挤压过程中机械能转化为热能，促进剪切带内发生动态再结晶，形成晶粒尺寸约为210.5nm的超细晶区，与拉长的粗晶构成异构组织，显著提升材料的综合力学性能。挤压后镁合金的极限抗拉强度达370MPa，屈服强度为297MPa，延伸率为14.1%。挤压过程中，在晶内和晶界处产生大量高密度小尺寸Mg17Al12，抑制再结晶晶粒长大，细化晶粒的同时有效抑制基体开裂。

　　关键词：静液挤压；异构组织；镁合金；动态再结晶；Mg17Al12

　　目前有关变形镁合金组织与性能的研究较多，但针对静液挤压镁合金的组织与性能的研究较少，低温大塑性变形镁合金工艺研究停滞不前。文章以AZ80镁合金为研究对象，首先对其进行均匀化预处理，随后采用静液挤压工艺，在180℃挤压筒温度下完成材料成型。通过对挤压过程中不同变形阶段的试样开展系统的微观组织表征与力学性能测试，重点分析静液挤压作用下AZ80镁合金塑性变形过程中的微观组织演化规律及其与力学性能的内在关联机制，并深入探究该合金经静液挤压后实现高强韧特性的核心成因。

　　1实验过程

　　1.1均匀化处理

　　文章实验选用HCP晶体结构的AZ80商用镁合金连铸锭作为原材料，其化学成分：Al 7.8%、Zn 0.53%、Mn 0.2%、Si＜0.01%、Fe＜0.005%。为消除铸态组织中存在的成分偏析与不均匀性，以及机加工所产生的残余应力，对铸锭进行均匀化处理。在415℃的强制对流加热炉中进行热处理，固溶时间为16h，随后空冷至室温。经固溶处理后，镁合金的平均晶粒尺寸约为350μm。

　　1.2静液挤压加工

　　均匀化处理后的AZ80镁合金在自主研发的静液挤压设备上进行挤压实验。工艺参数设置如下：模具与模芯温度均为280℃,挤压筒预热温度为180℃,模芯角度为105°~120°,挤压比为2.77。经挤压后，成功制备出内外表面质量良好、轴向无波浪形变的镁合金管材。

　    为深入分析静液挤压过程中材料的组织演变规律，在挤压阶段采用脱模方式得到中途中断样品，包含不同挤压状态，记为1#，如图1所示，用于后续微观组织表征。图1中阶段1、阶段2、阶段3分别代表挤压过程的不同阶段。

　　1.3性能检测与组织分析

　　采用HMV-G21DT型显微硬度计对静液挤压不同阶段的样品进行硬度测试。样品经研磨、机械抛光、手动抛光、冲洗、冷风吹干，随后采用硬度测试对试样的力学性能进行表征。在980mN的下压载荷下保持10s，各阶段的硬度值取至少10个测量点的平均值。

　　室温拉伸试验参照《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》GB/T 228.1—2021进行，拉伸试样为哑铃状板材，拉伸方向与挤压方向平行。

　　金相样品按标准流程制备，采用自制苦味酸溶液进行腐蚀，以观察不同阶段的显微组织；选用FEI T20高分辨透射电镜（六硼化镧）分析晶粒形貌及析出相分布；选用FEIQ250场发射环境扫描电镜分析断口形貌。

　　2实验结果与分析

　　2.1静液挤压过程中的晶粒组织演变

　　静液挤压管材不同挤压阶段的金相组织形貌，如图2所示。从图2（a）、图2（b）、图2（c）可以看出组织沿挤压方向产生变形，晶粒呈现明显的拉长现象。经过剧烈塑性变形后，强烈剪切应变诱发大量剪切带与变形孪晶，且剪切带内的晶粒显著细化。

　　从图2（c）的微观组织可以看出，静液挤压后大量晶粒被拉长、压扁，沿挤压方向呈流线型分布。这主要是因为均匀化镁合金中的粗大晶粒在塑性成形过程中，承受了强烈的拓展挤压作用[1]。同时，沿挤压方向可观察到黑色纤维状，这是挤压过程中形成的剪切带，其内部是难以通过腐蚀方法显示的细小再结晶晶粒。

　　尽管挤压筒预热温度未超过200℃（180℃),无法在挤压过程中提供足够再结晶驱动力，但在高压挤压条件下，大量机械能转化为热能，促使动态再结晶的发生。此外，镁合金属于密排六方结构，可开动的滑移系有限，位错滑移时易出现塞积现象，能迅速累积到再结晶所需的临界位错密度[2]，同时，镁合金中晶界扩散速率较高，可快速吸收亚晶界处积累的位错，进而加快动态再结晶的形核与长大。

　　根据组织分析可知，挤压过程中剪切带内发生动态再结晶。如图3（a）所示，再结晶晶粒尺寸约为210nm。

　　静液挤压后，镁合金中产生高密度超细晶区，晶界密度大幅增加，强化了对位错滑移的阻碍作用，从而显著提升了合金强度[3]。此外，如图3（b）所示，在晶粒内部及粗晶晶界处分布有大量尺寸较小的第二相粒子，这些析出相一方面为动态再结晶提供形核位置，另一方面也有效抑制再结晶晶粒的长大，进一步促进组织细化与力学性能的提高。

　　2.2不同阶段显微硬度分析

　　为进一步分析静液挤压镁合金在塑性变形过程中的微观组织演化规律及其对应的力学性能，对均匀化、不同变形阶段合金沿挤压方向进行硬度显微测试，结果如图4所示。从图4（a）可看出，硬度逐渐增加，从阶段1初始硬度约为81HV，阶段3提高至105HV左右，在剧烈变形阶段（阶段2与3），硬度增幅趋缓，两者数值差异较小。结合Hall-Petch关系，强度随晶粒尺寸的减小而增加，所以阶段1到阶段2硬度增加。此外，在Kula A等人的研究中也提出，当晶粒为0.8μm左右时，由于变形机制的变化，强度增加趋于饱和，不再显著提高，阶段2和3剧烈变形后形成大量超细晶，所以硬度差异较小。图4（b）可看出，相较于均匀化，静液挤压镁合金硬度显著提升。

　　2.3室温拉伸性能及断口分析

　　静液挤压AZ80镁合金的工程应力-应变曲线，如图5所示，从图5（a）中可以看出静液挤压后，AZ80镁合金的极限抗拉强度为370MPa，屈服强度为297MPa，均匀延伸率为14.1%，挤压后综合力学性能显著提升，具有良好的强度和韧性匹配。晶粒在高剪切应变作用下显著细化，力学性能提升，同时，在挤压过程中产生的高密度小尺寸析出相Mg17Al12可阻碍基体位错运动，提升材料的屈服强度。利用SEM对拉伸后试样的断口形貌进行分析，其断口SEM照片如图5（b）所示。断口区域可见大量韧窝存在，表明其断裂是韧性断裂，这也与试样均有较高的断裂伸长率的特征相吻合。

　　尽管晶粒细化是一种有效的金属强化机制，但它通常会以牺牲延展性为代价，造成其显著降低。本研究中出现极限抗拉强度和延伸率协同提高的情况，根据微观组织分析可知，静液挤压过程中产生的剪切带内部发生动态再结晶，这些再结晶晶粒和变形拉长的粗晶共同构成粗细结合的结构，这种结构在朱等人的研究中被称为异构组织，这种异构组织在通过粗晶和细晶变形不一致，使得在软相中产生背应力，从而使软相变强。在提高材料的强度的同时提高延性。

　　3结论

　　综上所述，静液挤压制备的异构镁合金具有优异的强度与塑性匹配性，其屈服强度达297MPa、极限抗拉强度达370MPa、延伸率达14.1%，这一性能优势源于挤压过程中独特的微观组织演化机制：静液挤压可促使镁合金发生剧烈塑性变形，诱发大量剪切带与变形孪晶，同时挤压过程中机械能向热能的转化会促进剪切带内发生动态再结晶，形成超细晶区，与未完全再结晶的拉长粗晶共同构成异构组织。在此过程中，晶内与晶界处会析出大量高密度小尺寸的Mg17Al12相，该相不仅能抑制再结晶晶粒长大以强化晶粒细化效果，还可通过抑制基体开裂进一步提升材料的强韧性。

参考文献

　　［1］赵言宝.静液挤压AZ80镁合金管材组织与力学性能研究［D］.南京：南京理工大学，2016.

　　［2］李灿灿，吴志林，蔡红明，等.静液挤压及退火处理对AZ80镁合金组织及力学性能的影响［J］.热加工工艺，2019，48（14）：121-124.

　　［3］杨霞.AZ80镁合金静液挤压组织与性能关系研究［D］.南京：南京理工大学，2022.