南京工業大學信運昌教授Acta Materialia：雙織構鎂合金力學行為的定量化研究

【引言】

輕質鎂合金是交通運輸、航空航天及國防軍工等領域重要的輕量化材料。具有密排六方結構的鎂合金在室溫下易于啟動滑移系少，各向異性強，變形行為復雜。鎂合金在塑性加工過程中易形成強織構，大量研究表明織構顯著影響鎂合金的變形行為、力學性能及強度，深入理解織構與鎂合金塑性變形行為之間的關系具有重要意義。很長一段時間以來，研究者對具有單一織構組分鎂合金的力學性能和變形行為進行了大量研究，與單一織構組分相比，多織構組分可以有效的弱化織構，改善鎂合金的各向異性及成形性能。然而，目前關于多織構組分鎂合金強度及變形行為與織構組分及其體積分數之間的定量關系尚未有研究。該論文采用預變形+退火處理的方法制備出了同時具有硬取向和軟取向的雙織構鎂合金棒材，并通過預變形量控制實現了兩種織構組分體積分數的調控，隨后系統研究了屈服強度與織構組分之間的定量關系、雙織構組分及其體積分數如何影響塑性變形機制，該研究結果豐富了鎂合金塑性變形理論體系，可為利用織構控制提升鎂合金性能提供有益的指導。

【成果簡介】

近日，南京工業大學先進輕質高性能材料研究中心信運昌教授等人利用一次壓縮及退火處理成功制備出多種同時具有軟取向和硬取向的雙織構AZ31鎂合金，并實現了對雙織構組分體積分數的定量控制，對不同樣品的力學行為及變形機制進行了系統的研究。研究發現，雙織構樣品的屈服強度與傳統的混合法則計算值有顯著偏離。更為有意思的是，當軟取向組分比例小于50%時，該偏差隨軟取向組分的增加而增大，而大于50%時，該偏差則隨軟取向組分增加而降低，通過計算分析表明，該現象主要與雙織構組分的應變分配有關，該研究提出了一種修正的混合法則公式；此外，在微觀變形機理方面發現，與單織構相比，雙織構組分鎂合金變形時更容易激發具有低施密特因子的孿晶變體，單一晶粒內更易于啟動多個孿生變體。研究者利用傳統的應變張量分析準則分析孿生變體啟動行為，然而該準則無法解釋此論文中所報道的結果，隨后研究者利用晶體塑性有限元模擬研究揭示了其相關機制：低施密特因子孿生變體啟動主要與晶粒內部孿生變體間相互作用有關，而非相鄰晶粒之間的應變協調，其主要原因在于相鄰晶粒之間變形傳遞非常困難，此時晶粒內部不同孿生變體之間相互作用對孿生變體的啟動起主導作用，這也是傳統應變張量分析準則失效的主要原因。該研究結果表明應變張量分析準則是有使用條件的，需要考慮相鄰晶粒之間變形傳遞的難易程度。這一發現有利的豐富了孿生變體選擇判定準則和分析方法。該成果以題為“A quantitative study on mechanical behavior of Mg alloys with bimodal texture components” 發布在Acta Materialia上，其中趙玲玉博士為論文第一作者，管博博士為論文的共同第一作者，信運昌教授為論文的通訊作者。

【圖文導讀】

圖一、? 雙織構及單織構微觀組織圖

（a）和（i）為兩種單織構組分的反極圖成像圖；

（b）-（h）為七種軟/硬取向不同比例分布的雙織構反極圖成像圖。

圖二、力學行為

(a) 真應力應變曲線（沿ED方向拉伸）；

(b) 試驗所測屈服應力與傳統混合法則計算屈服強度值的比較?；

(c) 雙織構樣品在0.2%屈服點B處的應力杠桿規律示意圖；

(d) 本研究中BT1-BT7樣品的應力杠桿規律（圖d中符號代表各樣品0.2%處的屈服強度）。

圖三、微觀組織演變

（a）BT2樣品拉伸變形0.5%, 1.5%, 3%, 6%的反極圖成像圖；

（b）BT3樣品拉伸變形0.5%, 1.5%, 3%, 6%的反極圖成像圖；

（c）BT5樣品拉伸變形0.5%, 1.5%, 3%, 6%的反極圖成像圖；

（d）MT2樣品拉伸變形0.5%, 1.5%, 3%, 6%的反極圖成像圖。

圖四、CPFEM模擬的等效應力與應變演化

（a）軟取向-軟取向晶粒相鄰的等效應變隨塑性變形量的演化；

（b）軟取向-軟取向晶粒相鄰的等效應力隨塑性變形量的演化；

（c）軟取向-硬取向晶粒相鄰的等效應變隨塑性變形量的演化；

（d）軟取向-硬取向晶粒相鄰的等效應力隨塑性變形量的演化

圖五、孿晶變體的分切應力計算

（a）軟取向-軟取向相鄰時軟取向晶粒中孿晶變體分切應力隨應變增大的變化；

（b）軟取向-硬取向相鄰時軟取向晶粒中孿晶變體分切應力隨應變增大的變化；

【小結】

綜上所述，該研究利用預變形和退火處理成功在AZ31擠壓棒材中制備了多種具有雙織構組分的樣品，建立了織構組分及其體積分數與強度的定量關系，發展了適用于雙織構鎂合金的混合法則計算公式。該論文也發現了雙織構組分有利于激活低施密特因子孿生變體的現象，結合晶體塑性有限元分析揭示了相應的機制，發現了應變張量分析準則的應用存在適用條件這一新的現象，并揭示了其機制，豐富和發展了鎂合金應變張量分析方法。

文獻鏈接：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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