【摘 要】
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镁合金由于低密度、高比强度的特点已被广泛应用在轻量化结构材料领域。但密排六方结构的对称性较低、可同时开动的滑移系少,导致其强度低、塑性差,形成基面织构和各向异性等问题,极大地限制了镁进一步的应用。添加合金元素是提高镁力学性能的手段之一。研究发现添加Bi,具有细化晶粒、提高Mg的塑性和弱化基面织构的潜力,同时高熔点相Mg3Bi2（821℃）有助于提高材料的高温力学性能。因此系统研究Mg-Bi合金的变
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镁合金由于低密度、高比强度的特点已被广泛应用在轻量化结构材料领域。但密排六方结构的对称性较低、可同时开动的滑移系少,导致其强度低、塑性差,形成基面织构和各向异性等问题,极大地限制了镁进一步的应用。添加合金元素是提高镁力学性能的手段之一。研究发现添加Bi,具有细化晶粒、提高Mg的塑性和弱化基面织构的潜力,同时高熔点相Mg3Bi2（821℃）有助于提高材料的高温力学性能。因此系统研究Mg-Bi合金的变形机制,从而进一步提高材料强塑性,为镁合金设计提供理论依据。本文采用光学显微镜（OM）、X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、电子背散射衍射（EBSD）、显微硬度计和电子万能试验机等表征和测试技术,首先研究了二元Mg-xBi（x=1,3,6,9 wt.%）合金铸态、挤压态显微组织、力学性能的变化,以及Bi对挤压织构的影响。研究发现铸态晶粒尺寸随Bi含量的增加由713 μm减小到186 μm,经独立模型比较分析得知Bi的晶粒细化效率优于Al而低于Zr。合金在温度为380℃和挤压比为25的条件挤压后晶粒尺寸进一步减小,拉伸屈服强度随Bi含量的增加先增大后减小,在Bi含量为6wt.%时强度达到最大（～183MPa）,其相应柱面滑移临界分切应力为84MPa。然而,所有合金延伸率均小于5%,为脆性断裂,基体中大量存在的Mg3Bi2颗粒在变形中容易产生裂纹源。此外,退火处理会弱化合金挤压织构,退火态Mg-6Bi和Mg-9Bi合金在<1012>取向晶粒数量及晶粒尺寸比挤压态更多和更大。为避免基体中弥散分布的Mg3Bi2颗粒增多降低合金的塑性,选取低合金化Mg-2Bi作为研究对象,进而系统研究了合金显微组织、力学性能及织构对挤压温度（100℃、200℃、310℃、410℃）的敏感程度,明确了材料在低温挤压和常温变形过程中的变形机制。研究发现合金晶粒尺寸随挤压温度的升高从100℃时的1.3 μm增大到410℃时的22.4μm。随着挤压温度的升高,Mg-2Bi合金延伸率逐渐下降,屈服强度和抗拉强度在200℃时达到最高,分别为176.9MPa和236.5MPa,之后逐渐减小。但温度变化对合金织构强度几乎无影响。通过晶内取向差轴（IGMA）分析得知材料在100℃挤压过程中基面、柱面以及锥面<c+a>滑移均启动。100℃挤压Mg-2Bi合金在拉伸测试中表现出加工软化现象,其延伸率达到35%左右,通过TEM分析得知其在拉伸过程主导变形的主要机制为晶界滑移。为进一步提高材料强度,将0.45wt.%Ca添加到Mg-2Bi中以探索Ca添加对镁织构、力学性能的影响及其随温度（105℃、205℃、310℃、410℃）的变化。研究发现添加Ca后在105℃挤压晶粒比在相似温度挤压的Mg-2Bi更加细小,晶粒尺寸为0.8 μm,并形成了接近[1011]的新织构。挤压温度为410℃时晶粒尺寸增大到26.9μm。随着挤压温度的增加,材料的强度和塑性均有所降低。105℃挤压Mg-2Bi-0.45Ca也存在加工软化现象,此时材料的屈服和抗拉强度都达到最大,分别为238MPa和293MPa,断裂延伸率也达到15.4%。通过不同应变速率下的拉伸实验得知,低温（105℃）挤压材料屈服应力的应变敏感指数为0.1,大于位错的应变敏感指数（<0.05）,进一步确认材料在拉伸过程中起主导变形的机制是晶界滑移。通过晶内取向差轴（IGMA）分析得知Mg-2Bi-0.45Ca合金在105℃挤压变形过程中所研究晶粒仅发现基面滑移和锥面<c+a>滑移的启动。
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