南京工业大学信运昌教授Acta Materialia：双织构镁合金力学行为的定量化研究

【引言】

轻质镁合金是交通运输、航空航天及国防军工等领域重要的轻量化材料。具有密排六方结构的镁合金在室温下易于启动滑移系少，各向异性强，变形行为复杂。镁合金在塑性加工过程中易形成强织构，大量研究表明织构显著影响镁合金的变形行为、力学性能及强度，深入理解织构与镁合金塑性变形行为之间的关系具有重要意义。很长一段时间以来，研究者对具有单一织构组分镁合金的力学性能和变形行为进行了大量研究，与单一织构组分相比，多织构组分可以有效的弱化织构，改善镁合金的各向异性及成形性能。然而，目前关于多织构组分镁合金强度及变形行为与织构组分及其体积分数之间的定量关系尚未有研究。该论文采用预变形+退火处理的方法制备出了同时具有硬取向和软取向的双织构镁合金棒材，并通过预变形量控制实现了两种织构组分体积分数的调控，随后系统研究了屈服强度与织构组分之间的定量关系、双织构组分及其体积分数如何影响塑性变形机制，该研究结果丰富了镁合金塑性变形理论体系，可为利用织构控制提升镁合金性能提供有益的指导。

【成果简介】

近日，南京工业大学先进轻质高性能材料研究中心信运昌教授等人利用一次压缩及退火处理成功制备出多种同时具有软取向和硬取向的双织构AZ31镁合金，并实现了对双织构组分体积分数的定量控制，对不同样品的力学行为及变形机制进行了系统的研究。研究发现，双织构样品的屈服强度与传统的混合法则计算值有显著偏离。更为有意思的是，当软取向组分比例小于50%时，该偏差随软取向组分的增加而增大，而大于50%时，该偏差则随软取向组分增加而降低，通过计算分析表明，该现象主要与双织构组分的应变分配有关，该研究提出了一种修正的混合法则公式；此外，在微观变形机理方面发现，与单织构相比，双织构组分镁合金变形时更容易激发具有低施密特因子的孪晶变体，单一晶粒内更易于启动多个孪生变体。研究者利用传统的应变张量分析准则分析孪生变体启动行为，然而该准则无法解释此论文中所报道的结果，随后研究者利用晶体塑性有限元模拟研究揭示了其相关机制：低施密特因子孪生变体启动主要与晶粒内部孪生变体间相互作用有关，而非相邻晶粒之间的应变协调，其主要原因在于相邻晶粒之间变形传递非常困难，此时晶粒内部不同孪生变体之间相互作用对孪生变体的启动起主导作用，这也是传统应变张量分析准则失效的主要原因。该研究结果表明应变张量分析准则是有使用条件的，需要考虑相邻晶粒之间变形传递的难易程度。这一发现有利的丰富了孪生变体选择判定准则和分析方法。该成果以题为“A quantitative study on mechanical behavior of Mg alloys with bimodal texture components” 发布在Acta Materialia上，其中赵玲玉博士为论文第一作者，管博博士为论文的共同第一作者，信运昌教授为论文的通讯作者。

【图文导读】

图一、  双织构及单织构微观组织图

（a）和（i）为两种单织构组分的反极图成像图；

（b）-（h）为七种软/硬取向不同比例分布的双织构反极图成像图。

图二、力学行为

(a) 真应力应变曲线（沿ED方向拉伸）；

(b) 试验所测屈服应力与传统混合法则计算屈服强度值的比较 ；

(c) 双织构样品在0.2%屈服点B处的应力杠杆规律示意图；

(d) 本研究中BT1-BT7样品的应力杠杆规律（图d中符号代表各样品0.2%处的屈服强度）。

图三、微观组织演变

（a）BT2样品拉伸变形0.5%, 1.5%, 3%, 6%的反极图成像图；

（b）BT3样品拉伸变形0.5%, 1.5%, 3%, 6%的反极图成像图；

（c）BT5样品拉伸变形0.5%, 1.5%, 3%, 6%的反极图成像图；

（d）MT2样品拉伸变形0.5%, 1.5%, 3%, 6%的反极图成像图。

图四、CPFEM模拟的等效应力与应变演化

（a）软取向-软取向晶粒相邻的等效应变随塑性变形量的演化；

（b）软取向-软取向晶粒相邻的等效应力随塑性变形量的演化；

（c）软取向-硬取向晶粒相邻的等效应变随塑性变形量的演化；

（d）软取向-硬取向晶粒相邻的等效应力随塑性变形量的演化

图五、孪晶变体的分切应力计算

（a）软取向-软取向相邻时软取向晶粒中孪晶变体分切应力随应变增大的变化；

（b）软取向-硬取向相邻时软取向晶粒中孪晶变体分切应力随应变增大的变化；

【小结】

综上所述，该研究利用预变形和退火处理成功在AZ31挤压棒材中制备了多种具有双织构组分的样品，建立了织构组分及其体积分数与强度的定量关系，发展了适用于双织构镁合金的混合法则计算公式。该论文也发现了双织构组分有利于激活低施密特因子孪生变体的现象，结合晶体塑性有限元分析揭示了相应的机制，发现了应变张量分析准则的应用存在适用条件这一新的现象，并揭示了其机制，丰富和发展了镁合金应变张量分析方法。

文献链接：Lingyu Zhao, Bo Guan, Yunchang Xin^∗, Xiaoxu Huang, Chenglu Liu, Peidong Wu, Qing Liu. A quantitative study on mechanical behavior of Mg alloys with bimodal texture components. Acta Materialia 214 (2021) 117013. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117013

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