现代材料检测技术在镁合金塑性变形研究中的应用

X射线衍射分析在镁合金塑性成形研究中的应用现状摘要：X射线衍射分析在镁合金塑性成形中已经得到了广泛的应用，这里综述了X射线衍射分析在变形镁合金物相分析以及晶体取向分析等方面的应用，最后展望了X射线衍射分析在镁合金塑性成形，尤其是精密塑性成形中的广阔的应用前景。

关键字：X射线衍射分析,镁合金,塑性成形，物相分析，晶体取向分析科技与经济的发展，要求材料工业必须处于领先地位。

为提高材料性能、挖掘材料潜力、扩大材料应用范围及研制新材料，人们越来越把注意力集中到研究材料的微观性质上，因为任何材料的宏观性能都是由其微观组织结构决定的。

常规的光学金相法近年来虽有重大改进，但其分辨率受光波衍射的限制，只能提供微米数量级的形貌图象，不能把显微形貌、成分和结构分析有机地结合起来。

然而，应用现代分析测试仪器和方法，就能精确地在材料微观尺度的区域内同时取得显微形貌、成分和结构及性能等各方面的信息，进行综合分析，确切地鉴定材料的组织结构本质。

材料现代测试分析技术是关于材料成分、结构、微观形貌与缺陷等的现代分析、测试技术及其有关理论基础的科学。

它不仅包括材料（整体的）成分、结构分析，也包括材料表面与界面分析、微区分析、形貌分析等诸多内容。

此外，材料现代测试分析技术还有助于创立新的理论，发明新的技术和方法。

科学技术上的重大成就和科学研究新领域的开辟，往往是以测试方法和仪器的突破为先导，“在诺贝尔物理和化学奖中，大约有四分之一是属于测试方法和仪器创新的”。

材料分析是通过对表征材料的物理性质参数及其变化（称为测量信号或特征信息）的检测实现的。

即材料分析的基本原理是指测量信号与材料成分、结构等的特征关系。

此外，通过采用各种不同的测量信号（相应地具有与材料的不同特征关系）形成了各种不同的材料分析方法[1]。

基于电磁辐射及运动粒子束与物质相互作用的各种性质建立的各种分析方法已成为材料现代测试分析方法的重要组成部分，其中，X射线衍射分析（XRD）已逐步发展成为一种极其重要的材料现代测试分析方法并广泛应用于金属材料、无机非金属材料和有机材料的结构以及性能研究当中。

1.X射线衍射分析（XRD）理论简介X射线衍射，即X射线照射晶体，晶体中电子受迫振动产生相干散射，同一原子内电子散射波相互干涉形成了原子散射波，各原子散射波相互干涉，在某些方向上一致加强，即形成了晶体的衍射波。

X射线是一种波长很小的电磁波，能穿透一定厚度的物质，并能使荧光物质发光，使照相乳胶感光，使气体电离等。

用高能电子束轰击金属靶材产生X射线，它具有与靶中元素相对应的特定波长，称为特征（或标识）X射线。

如通常使用的靶材对应的X射线的波长大约为1.5406埃。

考虑到X射线的波长和晶体内部原子面间的距离相近，1912年德国物理学家M.von Laue提出一个重要的科学预见：晶体可以作为X射线的空间衍射光栅,即当一束 X射线通过晶体时将发生衍射，衍射波叠加的结果使射线的强度在某些方向上加强，在其他方向上减弱。

分析在照相底片上得到的衍射花样，便可确定晶体结构。

这一预见随即为实验所验证，证明了X射线具有电磁波的性质，成为X射线衍射学的里程碑。

当一束单色X射线入射到晶体时，由于晶体是由原子规则排列成的晶胞组成，这些规则排列的原子间距离与入射X射线波长有X射线衍射分析相同数量级，故由不同原子散射的X射线相互干涉，在某些特殊方向上产生强X射线衍射，衍射线在空间分布的方位和强度，与晶体结构密切相关。

这就是X射线衍射的基本原理[1]。

2.镁合金塑性变形工艺简介金属镁及其合金是目前可应用的最轻的金属结构材料之一，其比强度、比刚度高，阻尼减震性、导热性、静电屏蔽性及机械加工性好，在实用金属中是最轻的金属，镁的比重大约是铝的2/3，是铁的1/4。

它是实用金属中的最轻的金属，高强度、高刚性[2]。

因此被广泛应用于航空、航天、汽车、计算机、通讯、家电和国防工业中。

随着现代化大规模生产的发展,各种少无切削新工艺应运而生。

近年来, 锻压、挤压工艺突破了毛坯生产的范畴,人们能生产出不少接近成品的冷锻成形件, 其表面品质好, 机械加工余量少,尺寸精度高。

金属精密塑性成形技术应用而生，并且是值得各行各业重视的一门发展中的先进技术[3,4]。

金属精密塑性成形是金属材料通过精密塑性加工的的方法获得精化毛坯或最终产品零件的加工工艺。

金属精密塑性成形技术是新材料技术、现代模具技术和精密测量技术与传统的锻造、挤压、冲压等工艺方法相结合的产物。

它使加工的制品达到或接近最终零件产品的形状和尺寸，实现质量和性能的优化，缩短制造周期和降低成本[5,6]。

变形镁合金一般是指可用挤压、锻造等塑性成形方法加工成形的镁合金。

与铸造镁合金相比，镁合金热变形后微观组织结构得到细化，消除了铸造产生的缺陷，产品具有更高的强度、更好的延展性，其大大提高的综合性能能够满足更多样的结构件的需求。

变形镁合金由于具有这些优点，这些年得到广泛的关注并取得了长足的发展[7,8]。

3.XRD在镁合金塑性变形工艺中的应用X射线衍射现象发现后，很快被用于研究金属和合金的晶体结构，如A.Westgren于1922年证明了α、β和δFe均为立方结构，β-Fe并不是一种新相；而铁中的α→γ转变实质上是由体心立方晶体转变为面心立方晶体，从而最终否定了β-Fe硬化理论。

随后,在用X射线测定众多金属和合金的晶体结构的同时，X射线衍射分析在相图测定以及在固态相变和范性形变研究等领域中均取得了丰硕的成果。

如对超点阵结构的发现，推动了对合金中有序无序转变的研究；对马氏体相变晶体学的测定，确定了马氏体和奥氏体的取向关系；对铝铜合金脱溶的研究等等。

目前 X射线衍射已经成为研究晶体物质和某些非晶态物质微观结构的有效方法。

在金属中的主要应用有物相分析、精密测定点阵参数、固溶体分析、晶粒大小的测定、应力测定、晶体取向的测定以及研究相变机理并绘制合金相图等诸多方面。

在镁合金塑性变形领域，X射线衍射分析主要用于物相分析以及挤压变形后晶体取向的分析等[9-11]，下面将结合镁合金塑性变形加工实例加以具体介绍。

3.1 利用XRD对变形镁合金进行物相分析XRD物相分析可分为定性分析和定量分析。

定性分析的目的是鉴定待测样品由哪些物相组成。

在金属材料及热处理领域中，很多问题涉及这种测试。

如钢中的碳化物，夹杂物，合金中的析出相，化学热处理的物相分析等。

定量分析是求出各物相的相对量，如淬火钢中残余奥氏体量的测定等。

吴安如，夏长清等[12]制备了三种不同成分的稀土镁合金，研究稀土(RE)元素铈(Ce)、钕(Nd)和钇(Y)对镁合金铸态组织、力学性能尤其是高温力学性能的影响。

采用X射线衍射(XRD)仪对3种稀土镁合金铸态组织进行了物相分析，分别得到了三种不同成分的稀土镁合金的相组成物，并进行了横向对比。

肖华强等[13]采用X 射线衍射(XRD)分析了挤压铸造AZ81合金在铸态(F)、固溶态(T4)及固溶时效态(T6)下的物相组成（如图1所示）。

从图1可以看出，铸态AZ81主要由α-Mg 相和β-Mg 17Al 12相组成；而经固溶处理的XRD 谱中只存在α-Mg 相的峰，而未出现β-Mg 17Al 12相的峰，合金中β-Mg 17Al 12相溶解，而成为单相α-Mg 固溶体组织；在固溶时效处理的XRD 谱中除了存在α-Mg 相的峰外，重新出现了β-Mg 17Al 12相的峰，这与合金经固溶时效处理后组织中重新析出β相一致。

图l 铸态及热处理状态下AZ81镁合金的XRD 谱(a 挤压铸造：b 固溶处理；c 固溶时效) 廖慧敏等[14]为改善挤压铸造AZ81镁合金组织的不均匀性，对铸态试样进行均匀化热处理。

采用X 射线衍射仪对AZ81镁合金的物相进行了分析（图谱如图2所示）。

可以看出，铸态AZ81主要由α-Mg 相和β-Mg 17Al 12相及少量的Al 8Mn 5相组成；而经固溶处理的XRD 谱中只存在α-Mg 相和Al 8Mn 5相峰，未出现β-Mg 17Al 12相峰，AZ81镁合金中β-Mg 17Al 12相溶解，而由α-Mg 固溶体和少量的Al 8Mn 5相颗粒组成。

这与肖华强等[13]的试验结果互为印证。

图2 挤压铸态及均匀化处理态AZ81合金的XRD 图谱3.2 利用XRD测定变形镁合金中的晶体取向半导体材料，磁性材料，激光材料的单晶体，其取向可用X射线法测定。

在金属学中，可通过晶体取向研究材料的滑移，孪生过程，亦可测定沉淀相从基体析出时的惯习面。

总之，用X射线衍射法可获得有关结构的最完整信息。

变形镁合金在铸造后往往通过挤压、轧制及锻造等变形方式以细化组织、改善合金的结构和提高合金的性能。

但镁合金在变形后必然会在合金内产生择优取向即织构，而织构的存在必然对合金的性能产生显著的影响，并导致镁合金挤压板材在不同取向上，力学性能表现出很大的不同，即出现性能各向异性[15,16]。

镁合金在常温下变形时，由于变形温度较低，首先启动的滑移系只有基面{0001}上的滑移系，而棱柱面{101-0}和棱锥面{101-1}上的滑移系只有在温度较高或分切应力较大的情况下才能启动。

因此镁合金中织构对合金性能的影响较大，大于织构对其他晶体结构如铝合金性能的影响[17]。

研究镁合金在变形过程产生的织构、明确织构产生的原因及织构对合金性能的影响，就可以对镁合金的变形加工提供理论依据，达到消除织构或控制织构的目的，从而改善合金的性能以适应不同场合结构件的使用要求。

织构的研究手段主要有X射线衍射分析、中子衍射分析和电子背散射衍射技术（EBSD），其中X射线衍射分析得到的是材料宏观上的晶体晶面的择优取向[18,19]。

变形镁合金在热挤压过程中，通过再结晶细化了材料的组织结构并形成明显织构，这里以AZ80镁合金为例进行说明[2]。

AZ80镁合金中铝的含量较高，约为8%（质量分数），从而在镁基体中析出了Mg17Al12相。

因此AZ80镁合金的结构除了密排六方结构的基体外，还有β相，从而导致AZ80镁合金在挤压后的再结晶过程与其他镁合金有所不同，并形成不同的织构，对材料机械性能的影响也完全不同[20,21]。

由于合金在挤压过程中产生了择优取向，因此对AZ80镁合金的铸态组织及ND、TD和ED面（以下使用ND、TD和ED面代表挤压板的三个表面）的挤压态组织做了X射线衍射分析。

ND图3 挤压镁合金取样示意图由挤压后的XRD图谱可以看到，AZ80镁合金在热挤压前（铸态）X射线衍射的最强峰为{101-1}晶面，次强峰为{0002}晶面，第三强峰为{101-0}晶面。

挤压后ND面上最强峰为{0002}晶面，次强峰为{0004}晶面，第三强峰为{101-1}晶面。

将这些峰值代表的晶面与强度比值与镁的XRD标准粉末衍射卡进行比较，以确定合金中是否存在某个晶面的择优取向，比较结果列于表1。