变形镁合金塑性加工及组织性能的理论基础

镁及镁合金材料具有轻质、高比强度/比刚度、阻尼减振、电磁屏蔽性能优良等优点，是极具潜力的轻量化材料之一，并成为航天、航空、汽车、3C电子等领域未来发展可选择的重要材料。我国是世界上镁资源最为丰富的国家，约占全球镁资源总量的70%以上。在当前全球能源危机及气候变化的环境背景下，合理利用镁资源优势，加快高性能镁合金研制，推进镁合金产业化，提升镁合金应用体量，对推动我国“碳达峰”“碳中和”等国家战略进程可以起到不可替代的作用。
目前，镁及镁合金材料通常分为铸造镁合金及变形镁合金两大类。其中，变形镁合金通过塑性加工变形方式优化了镁合金材料的微观组织特征，从而提升了材料的强塑性，使之能够满足更多工程结构件的性能需求，具有较大的发展前景。近年来，国内外研究者致力于提高变形镁合金的强度、塑性、成形性及耐蚀性等性能，并开展了大量的研究工作。其中，以上海交通大学丁文江院士团队及重庆大学潘复生院士团队为代表的科研工作者对变形镁合金的开发和应用做出了重要贡献。
同时，需要认识到，相比于钢铁材料及铝合金材料，镁合金材料仍然存在绝对强度低、室温塑性较差、易腐蚀、塑性变形存在各向异性、高性能板材制备加工困难等限制。国内外学者通过合金化、工艺优化等方式来改善镁合金的综合性能，并取得了一定成果。因此，有必要开展变形镁合金塑性加工及组织性能的理论基础研究，以进一步丰富镁合金的微观组织演变及塑性变形机理等基础理论。此外，还需要对镁合金的变形特征、断裂韧性、成形性能、腐蚀性能等关键服役与应用性能进行深入研究。
本书共分为6章。第1章系统介绍了变形镁合金的合金化、塑性变形机理、板材加工方式、综合性能及其影响因素等理论基础；第2章介绍了镁合金的再结晶行为，并详细分析了镁合金材料的静态再结晶及动态再结晶行为，为控制镁合金的基面织构特征及热加工过程的组织演变提供可靠的基础支撑；第3章介绍了高性能镁合金板材的轧制工艺技术，并提供了末道次升温轧制工艺、异步轧制工艺以及基于合金优化和双辊轧制的高性能镁合金板材制备实例；第4章介绍了镁合金的变形特性与塑性变形机理，分析了镁合金的拉压不对称性、各向异性及取向行为，并详尽讨论了变形过程中的微观组织演变及塑性变形机理，从而指导镁合金的组织性能优化及服役应用；第5章介绍了镁合金的断裂韧性及成形性，分析了镁合金断裂过程的裂纹扩展及断裂机理，以及室温成形机理，为镁合金断裂韧性、成形性能的提高及控制提供理论依据；第6章介绍了镁合金的腐蚀行为，分析了微合金化及加工状态对腐蚀行为的作用机理，并开展了镁合金腐蚀的取向行为及强度衰减研究，有助于揭示镁合金腐蚀的本质。
本书由江海涛研究员组织并负责全书统稿。参加编写工作的有：江海涛研究员（第1、2、5、6章）、张韵博士（第1、2、3、4章）。参加本书实验和文字编辑工作的还有王玉娇博士、康强博士、蔡正旭博士、孟强博士、徐哲硕士、王盼盼硕士、王哲硕士、田世伟博士、杨永刚博士、柳超敏硕士、于博文博士生、陈飞达博士生、张业飞博士生、王天祥博士生。本书在编写过程中还参考并引用了国内外相关学者的研究成果，在此向这些作者表达诚挚感谢。
由于水平有限，加之时间仓促，本书难免存在不足之处，敬请读者批评指正。

作者
2022年9月

随着材料轻量化的发展趋势，具有轻质等优点的镁合金材料成为航空、航天、汽车、3C电子等领域未来发展可选择的重要材料。通过塑性变形等方式优化微观组织特征的变形镁合金具有优异的强塑性，能够满足更多工程结构件的性能需求，具有较大的发展前景。
本书在变形镁合金的塑性加工及组织性能的理论基础上，介绍了合金化、塑性变形机理，板材加工方式，综合性能及其影响因素。同时，着重研究了镁合金的再结晶行为、高性能镁合金板材的轧制工艺技术、镁合金的变形特性与塑性变形机理、断裂韧性及成形性、腐蚀行为，对高性能镁合金的开发与应用提供了理论指导。
本书是金属材料类专业技术书籍，可供高校科研工作者、材料加工相关专业研究生，以及企业工程技术人员参考。

第1章 变形镁合金理论基础
1.1 镁的晶体结构与合金化	001
1.1.1 镁的晶体结构及性能特点	001
1.1.2 镁合金的合金化	002
1.1.3 镁合金的成分设计	006
1.2 镁合金的塑性加工与变形机理	008
1.2.1 滑移	008
1.2.2 孪生	009
1.2.3 晶界滑移	010
1.2.4 再结晶	011
1.2.5 镁合金的变形特性	012
1.3 变形镁合金的板材加工方式	017
1.3.1 镁合金板材的常规轧制	017
1.3.2 双辊铸轧	019
1.3.3 异步轧制	020
1.3.4 衬板轧制	021
1.4 变形镁合金的力学性能及影响因素	023
1.4.1 晶粒	023
1.4.2 第二相	025
1.4.3 织构	027
1.4.4 组织均匀性	028
1.5 变形镁合金的耐蚀性能及影响因素	030
1.5.1 镁合金的腐蚀特性	030
1.5.2 镁合金耐腐蚀性能的影响因素	031
参考文献	041

第2章 镁合金的再结晶行为
2.1 Mg-Zn-Gd合金的静态再结晶	050
2.1.1 稀土第二相粒子在Mg-Zn合金再结晶过程的作用	050
2.1.2 稀土固溶原子在Mg-Zn合金再结晶过程的作用	055
2.2 Ca/Gd复合添加镁合金退火过程的微观组织演变	057
2.2.1 退火过程的软化行为	058
2.2.2 退火过程的微观组织特征演变	061
2.2.3 第二相粒子对基面织构弱化及再结晶行为的作用机制	078
2.3 Mg-4Zn-xCa合金的热压缩行为	079
2.3.1 Mg-4Zn-xCa合金的微观组织特征	080
2.3.2 Mg-4Zn-xCa合金的热压缩变形及本构模型优化	086
2.4 Mg-4Zn-xCa合金的动态再结晶	105
2.4.1 Mg-4Zn-xCa合金的动态再结晶临界条件	105
2.4.2 Mg-4Zn-xCa合金动态再结晶过程的组织演变	109
2.4.3 Mg-4Zn-xCa合金的动态再结晶形核机制	116
2.5 Mg-4Zn-xCa合金热加工变形能力及组织特征	124
2.5.1 Mg-4Zn-xCa合金热加工图构建	124
2.5.2 基于热加工图的Mg-4Zn-xCa合金微观组织特征	131
2.5.3 Ca元素对Mg-4Zn-xCa合金热加工变形能力的影响	137
参考文献	148

第3章 高性能镁合金板材的轧制工艺技术
3.1 Mg-Al合金板材的末道次升温轧制工艺	152
3.1.1 升温轧制工艺设计思路	152
3.1.2 末道次轧制温度对Mg-Al合金板材微观组织及综合性能的影响	153
3.2 AZ31镁合金的异步轧制工艺	162
3.2.1 工艺参数对单道次异步轧制AZ31镁合金微观组织及力学性能的影响	162
3.2.2 AZ31镁合金板材的连续异步轧制及多道次异步轧制	167
3.2.3 轧制工艺对AZ31镁合金薄板室温成形性能的影响	177
3.3 基于合金优化及双辊铸轧的高强塑性镁合金薄板材	181
3.3.1 高强塑性镁合金板材的设计思路	181
3.3.2 高性能镁合金板材的力学性能及成形性能	183
3.3.3 轧制过程的组织特征演变	187
3.3.4 高性能镁合金板材的强化机理	203
参考文献	212

第4章 镁合金的变形特性与塑性变形机理
4.1 镁合金的拉压不对称性	219
4.1.1 挤压ZA21镁合金棒材的室温拉伸-压缩力学性能	219
4.1.2 拉伸/压缩屈服过程的微观组织及变形机制	221
4.1.3 拉压不对称性的弱化机制	229
4.2 镁合金棒材压缩变形的各向异性	231
4.2.1 室温压缩力学性能及各向异性	231
4.2.2 压缩过程的组织演变	233
4.2.3 压缩过程的织构演变	240
4.2.4 压缩变形过程的Schmid因子分析	247
4.2.5 压缩过程中孪晶变体的选择与长大	251
4.2.6 压缩变形过程中的滑移机制	260
4.2.7 压缩变形力学性能各向异性与变形机制的关系	264
4.3 镁合金的拉伸各向异性及塑性变形行为	265
4.3.1 基本力学性能	266
4.3.2 应变速率和载荷方向对力学行为的影响	268
4.3.3 拉伸变形过程的微观组织演变规律	272
4.3.4 拉伸变形过程的塑性变形机制	281
4.3.5 力学性能各向异性和应变速率敏感性	286
4.4 镁合金纳米压入变形的取向行为	288
4.4.1 纳米压痕形貌	288
4.4.2 纳米力学性能	289
4.4.3 纳米压入的取向行为	293
参考文献	302

第5章 镁合金的断裂韧性及成形性
5.1 Ca元素对挤压态Mg-2Zn-xCa合金微观组织及断裂韧性的影响	308
5.1.1 挤压态Mg-2Zn-xCa合金的微观组织	308
5.1.2 挤压态Mg-2Zn-xCa合金的力学性能及断裂韧性	314
5.1.3 挤压态Mg-2Zn-xCa合金的断裂机理及韧性控制	316
5.2 等温锻造Mg-4Zn-xCa合金的断裂韧性及疲劳裂纹扩展	320
5.2.1 等温锻造Mg-4Zn-xCa合金的制备及微观组织特征	320
5.2.2 Mg-4Zn-xCa合金的断裂韧性	324
5.2.3 Mg-4Zn-xCa合金的疲劳裂纹扩展	328
5.3 Ca-Gd复合添加对镁合金微观组织及成形性能的影响	339
5.3.1 Ca-Gd复合添加对Mg-3Al系合金板材微观组织演变的影响	339
5.3.2 Ca-Gd复合添加对Mg-3Al系合金板材成形性能的影响	345
5.4 稀土元素对Mg-1.5Zn合金织构和室温成形性能的影响	349
5.4.1 Gd元素对Mg-1.5Zn-xGd合金织构和室温成形性能的影响	349
5.4.2 Y和Ce元素对Mg-1.5Zn-xCe/Y合金织构和室温成形性能的影响	356
5.4.3 稀土元素种类对Mg-1.5Zn变形镁合金织构和室温成形性能的影响	362
5.5 AZ31镁合金薄板室温成形极限图研究	365
5.5.1 成形极限图的原理及建立	365
5.5.2 AZ31镁合金薄板的成形极限图	368
参考文献	371

第6章 镁合金的腐蚀行为
6.1 微合金化及加工状态对AZ31镁合金耐蚀性能的影响规律	375
6.1.1 铸态AZ31镁合金的微观组织及腐蚀性能	375
6.1.2 均匀化态AZ31镁合金的微观组织及腐蚀性能	382
6.1.3 轧制退火态AZ31镁合金的微观组织及腐蚀性能	388
6.2 镁合金腐蚀过程的取向行为	397
6.2.1 晶粒尺寸及晶体取向对腐蚀性能的影响	397
6.2.2 腐蚀过程的形貌演变	402
6.2.3 腐蚀过程的点蚀及晶间腐蚀机理	410
6.2.4 腐蚀过程的电化学性能	411
6.2.5 晶粒尺寸及晶体取向对各阶段腐蚀机理的影响	417
6.3 镁合金棒材腐蚀过程的强度衰减	419
6.3.1 腐蚀剩余强度变化及衰减规律	419
6.3.2 腐蚀剩余强度衰减机理	423
6.3.3 初始强度与腐蚀速率对腐蚀剩余强度的影响	434
参考文献	435