一、研究背景

镁合金因低密度、高比强度和优良的阻尼能力，成为各行业中备受关注的结构材料。然而，由于镁合金密排六方（HCP）结构中滑移系统的限制，使其在室温下的延展性较差，严重影响了镁合金的应用。传统热加工方法如热轧和挤压虽能细化晶粒，提高塑性，但易形成强基面织构，进而造成拉伸-压缩屈服不对称性，限制其潜在的使用。为解决此问题，研究者们探索多种方法弱化镁合金织构并提高其机械性能。研究表明，通过扭转引入剪切应变可改善镁合金织构、细化晶粒。此外，阶梯降温的多道次热变形方法被证明是改善镁合金微观结构和力学性能的有效手段，降温扭转可以同时弱化基面织构和细化晶粒，提高塑性和强度。然而，现有研究缺乏对镁合金在热扭转过程中微观组织演变的系统研究，特别是精确控制降温速率的研究还未见报道。

最近，中北大学杨勇彪副教授课题组将扭转变形和连续降温热变形两种方式相结合，采用恒定降温速率（10°C/s）对AZ80镁合金进行热扭转试验，探讨了该镁合金的微观组织和织构演变。结果显示，试样平均晶粒尺寸从12.2μm细化至5.4μm，织构强度从46.2降至8.3，织构显著减弱。研究还发现拉伸孪晶（ETs）可以从原始孪晶中演化出较小的独立孪晶，相同孪晶变体的ETs相互交叉能合并形成具有相似取向的晶粒，而不同孪晶变体则由孪晶边界分隔开，促进晶粒细化。本研究提出了一种新的热变形方法（热扭转与降温相结合），有效实现镁合金的晶粒细化和织构改性，为镁合金的应用提供了新的思路和方向。

二、图文导读

图1展示了不同半径处（中心、中间和表面）试样的显微组织。可以观察到，中心部分形成了大量细小的再结晶晶粒，表明动态再结晶（DRX）过程的开始。随半径增加，细化DRX晶粒比例逐渐增大，而粗大的变形晶粒面积则显著减少，形成特征明显的双峰组织。图2展示了不同半径（中心、中间和表面）试样的反极图。随半径的增加，DRX晶粒面积比例从52.0%增至89%，晶粒尺寸从12.2μm减至5.4μm，而变形晶粒和孪晶的面积比例则相应减少。这表明半径增加，DRX效果显著增强，而孪晶和变形晶粒的影响则相对减弱。这些观察表明，DRX晶粒、孪晶和变形晶粒的演变都与合金的晶粒细化和织构变化密切相关。

图1 380°C-260°C降温范围内变形试样不同位置的金相组织：（a）中心区域，（b）中间区域，（c）表面区域

图2 380°C-260°C降温范围内变形试样不同位置的反极图： (a)中心，(b)中间，(c)表面

在织构演变方面，随扭转变形的进行，镁合金的织构发生了明显变化。图3展示了不半径处式样的织构演变情况，与初始试样相比，扭转时，随半径增加，织构向远离原始基面织构的方向倾斜，形成非基面织构、新的取向。这意味着与C轴近似垂直于ED的初始试样相比，变形试样的C轴逐渐向ED旋转。这种变化表明，热扭转过程有效弱化了初始的织构强度，从46.2降至8.3，织构弱化的显著效果。织构变化与晶粒细化和动态再结晶过程密切相关，进一步促进合金的塑性改善。

图3 380°C-260°C降温范围内变形试样不同位置的极图和反极图：(a)、(a1) 中心区域，(b)、(b1)中间区域，(c)、(c1)表面区域

图4详细分析了孪晶类型、孪晶变体及其对晶粒取向演变的影响。孪晶在变形中起重要作用。基于ET随径向位置增加的演化规律的阐述，提出了孪晶演化规律：（1）变形后孪晶界为光滑曲线（图5 (a)），随后孪晶界部分凸起或收缩形成波浪状晶界（图5 (b)）；（2）部分孪晶界向内生长，将其自身从原始孪晶中游离出来（图5 (b)）；（3）最后，孪晶自身解体或形成分离的孪晶，如箭头所示（图5 (c)）。另一种拉伸孪晶演化模型如下：（1）相同孪晶变体的孪晶在晶界处被激活（图5 (d)）;（2）为了简单起见，假设一个孪晶（T1）保持不变，而另一个孪晶（T2）生长（图5 (e)）;（3）当两个孪晶相互接触时，可以合并成一个整体部分，相对原始孪晶具有相同的取向（图5 (f)）。然而，如果最初的拉伸孪晶是不同的孪晶变体（图5(g)），这些孪晶（T1和T2）倾向于相交（图5 (h)）并形成共享的孪晶晶界（图5 (i)），使晶粒细化，并形成相对于基体具有不同取向的新的不连续再结晶晶粒（TDRX）（图5 (i)）。

图4 (a1) 从图3 (a)中提取R1的反极图；(b1) 极图；(c1) 反极图；(d1) 各种孪晶变体和基体之间的关系。(a2) 从图3 (b)中提取R1的反极图；(b2) 极图；(c2) 反极图。(a3) 从图3 (b)中提取R2的反极图；(b3) 极图；(c3) 反极图。(a4) 从图3 (b)中提取R3的反极图；(b4) 极图；(c4) 反极图。(a5) 从图6 (c)中提取R1的反极图；(b5) 极图；(c5) 反极图

图5 孪晶演化模型

图6展示了具有30°±5°取向差的CDRX晶粒的反极图，以及不同旋转轴的模型，揭示了CDRX晶粒与基体的三种不同取向关系，说明CDRX晶粒不仅围绕C轴旋转，还围绕a轴和随机轴旋转，显示出复杂的变形机制。

图6 (a) 、 (b) 、 (c) 分别为从图3 (a)中提取对CDRXed具有30°±5°取向差的晶粒R3,  R4, R5；及不同的旋转轴 (a1) C轴<0001>，(b1) a轴<2-1-10>，(c1) 随机轴

图7展示了CDRX晶粒（P1-P3）在基体内形成，且与基体取向随机，展现了CDRX晶粒与孪晶之间的复杂竞争关系。并提出孪晶与CDRX相互竞争演变的模型，描述了在扭转过程中孪晶形成和演变的机制。模型展示了孪晶在高角界和低角界的激活过程：从原始晶粒开始，晶粒内部产生LAGBs，随后基于LAGBs形成孪晶或HAGBs，以及进一步变形后孪晶的产生，展示了CDRX和孪晶演化之间的复杂竞争。孪晶的形成不仅依赖于高角度晶界，还受低角度晶界的影响，展现了孪晶与CDRX之间的相互作用。

图7 孪晶与CDRX晶粒竞争演变模型

三、结论与展望

综上所述，本研究结合热扭转与降温变形，对AZ80镁合金进行恒温降速率热扭转试验，为镁合金微观结构优化提供了新思路。结果表明，拉伸孪晶诱导动态再结晶机制为：（1）拉伸孪晶晶界发生膨胀或收缩，形成波状形貌，并分解为较小的孪晶;（2）相同孪晶变体的ETs相互交叉形成相似取向的晶粒，而不同孪晶变体的 ETs由孪晶界分隔开，从而使晶粒细化。同时揭示了CDRX的新特征：除了常规报道的CDRX晶粒相对于基体绕C轴旋转30 °之外，还发现了绕a轴和随机轴旋转30 °的情况。提出了孪晶与CDRX晶粒竞争演变模型，显示了孪晶和CDRX之间的复杂竞争关系。连续降温热扭转变形是一种有效的晶粒细化（17.3μm减至5.4μm）和织构改变（46.2减至8.3）的方法，能显著提升镁合金的力学性能。本研究有效实现了镁合金晶粒细化和织构改性。未来，可进一步研究如何精确控制恒温降速的剪切力变形以实现工业大规模生产，深入研究CDRXed晶粒绕不同轴30˚旋转的原因，以及如何更好利用热扭转变形改善镁合金性能，为优化镁合金的热变形参数提供依据，促进变形镁合金的应用。

四、文章信息

该文章发表在《Journal of Magnesium and Alloys》2024年第12卷第04期：

[1] Yongbiao Yang*, Jinxuan Guo, Cuiying Wang, Wenxuan Jiang, Zhimin Zhang, Qiang Wang*, Xing Zhang. Evolution of microstructure and texture of AZ80 magnesium alloy under hot torsion with constant decreasing temperature rate [J]. Journal of Magnesium and Alloys, 2024, 12(4): 1619-1637.

五、中文摘要

在380 °C-260 °C温度范围内对AZ80镁合金进行热扭转试验，采用恒定降温速率（10 °C/s）以弱化基面织构并细化晶粒。结果表明，试样从中心到表面的平均晶粒尺寸逐渐细化（12.2μm降到5.4μm）并形成梯度组织，初始基面织构强度从 46.2 减至 8.3。此外，拉伸孪晶（ETs）可以从原始孪晶中分离出来并形成尺寸较小的孪晶。有趣的是，相同孪晶变体的ETs相互交叉可以形成具有相似取向的晶粒，而不同孪晶变体的ETs由孪晶界分隔开，促进晶粒细化。此外，除了传统的绕基体C轴旋转 30° 取向的连续动态再结晶（CDRX）晶粒外，还发现了绕a轴和随机轴旋转30°的CDRXed晶粒。本文还阐述了CDRX演变诱导孪晶产生，展示了CDRX和孪晶之间的复杂竞争关系。采用恒定降温速率的热扭转变形是一种有效的晶粒细化和织构改性方法。

六、英文摘要

Hot torsion tests for AZ80 magnesium alloy were carried out in the temperature range of 380 °C-260 °C, with a constant decreasing temperature rate of 10 °C/s in order to weaken the basal texture and refine the grains. The results indicated that the average grain sizes were refined forming gradient structure with increasing specimen radial position from center (12.2–5.4 μm), and that the initial basal texture intensity of the extruded magnesium alloy was weakened from 46.2 to 8.3. Furthermore, the extension twins (ETs) could be disintegrated from the twins forming separated twins with smaller sizes. Interestingly, ETs with the same twin variant intersecting with each other could be coalesced forming grains with similar orientation, while ETs with different twin variants were separated by twins boundaries contributing to grain refinement. Moreover, in addition to the conventional continuous dynamic recrystallized (CDRX) grains with 30˚ orientation rotated around C-axis of the parent grains, CDRXed grains with 30˚ rotation around a-axis and random rotation axis were also discerned. Besides, the CDRX evolution induced twins were also elaborated, exhibiting the complex competition between CDRX and twining. Hot torsion deformation with constant decreasing temperatures rate is an effective way of grain refinement and texture modification.

七、作者简介

第一作者/通讯作者简介：

杨勇彪（第一作者，通讯作者），中北大学副教授、硕士生导师，长期从事铝合金及镁合金微观组织与力学性能的研究工作，主持国家级项目一项（军委科技委技术领域基金），省级项目3项，参与多项国家级项目；发表SCI论文二十余篇，是Materials science and Engineering A及Materials and Designs 的审稿人。