Acta Materialia: 具有有限拉伸-压缩屈服不对称性的双织构挤压Mg-6.5Zn合金的变形机制研究

一、【导读】

由于交通领域对高强度重量比材料的需求不断增加，镁和镁合金已经成为结构部件的竞争性替代品。尽管如此，制造镁部件的一个重要限制是强织构镁合金的显著拉伸-压缩屈服不对称性，这导致变形过程中的早期断裂。这种行为基本上可以归因于在拉伸和压缩过程中激活的不同变形机制，根本上与热机械加工产生的强织构以及{102}拉伸孪生变形的极性特征有关。因此，急切需要降低锻造镁合金（特别是对于非稀土镁合金）拉压屈服不对称性的有效手段，并且这个问题近几十年来一直受到了极大的关注。

 二、【成果掠影】

基于此，中南大学李云平教授、杨标标（第一作者），西班牙IMDEA材料研究所/马德里理工大学Javier LLorca教授，以及澳大利亚迪肯大学Matthew Barnett教授和王军博士合作，采用电子背散射衍射（Electron back-scattered diffraction, EBSD）方法详细分析了该Mg-6.5Zn（wt.%）合金样品在拉伸和压缩过程中的变形机制。双织构Mg-6.5Zn合金的屈服不对称性仅为0.90。参考晶粒取向差分析（Grain reference orientation deviation，GROD）和滑移迹线-修正晶格旋转分析（Slip trace - Modified lattice rotation analysis, ST-MLRA）均用于量化{102}<101>拉伸孪生（Extension twin, ET）、{101}<102>压缩孪生（Compression twin, CT）、基面滑移、柱面滑移、<a> 锥面滑移、<c+a> I锥面滑移和 <c+a> II锥面滑移对塑性变形的贡献。GROD可以对EBSD全图开展晶格旋转的统计分析，而ST-MLRA则结合了表面滑移迹线和极图上的晶格旋转，可以给出单个晶粒内主要开动滑移系的准确判断。这些结果为设计具有有限拉压屈服不对称性的双织构镁合金提供了指导。相关研究成果以“Deformation mechanisms of dual-textured Mg-6.5Zn alloy with limited tension-compression yield asymmetry”为题发表在国际知名期刊Acta Materialia上。

三、【核心创新点】

采用电子背散射衍射（EBSD）技术详细分析了双织构Mg-6.5Zn（wt.%）合金样品在拉伸和压缩变形过程中的变形机制。该合金的屈服不对称性仅为0.90，为具有有限拉压屈服不对称性的双织构镁合金设计提供了指导。

 四、【数据概览】

图1  变形前Mg-6.5 Zn合金的微观结构 © 2023 Elsevier

（A）电子背散射衍射（EBSD）反极图（Inverse pole figure, IPF）。参考方向为挤压方向。

（B）晶粒尺寸分布。

（C）{0002}、{100}和{101}极图。

图2  理论孪生施密特因子分布 © 2023 Elsevier

（A）C织构的晶粒中拉伸下的ET和压缩下的CT。

（B）C织构的晶粒在拉伸下的CT和压缩下的ET。

（C）E织构的晶粒中拉伸下的ET和压缩下的CT。

（D）E织构的晶粒在拉伸下的CT和压缩下的ET。

图3  Mg-6.5Zn合金在沿着挤压方向拉伸和压缩过程中的真应力-真应变曲线 © 2023 Elsevier

图4  压缩情形下的孪生变形机制 © 2023 Elsevier

压缩至（A, B）1.5% 和（C, D）7.3%后的Mg-6.5Zn合金的（A, C）反极图（IPF）和（B, D）菊池带衬度图（Band contrast, BC）。

图5  拉伸情形下的孪生变形机制（IPF） © 2023 Elsevier

EBSD图显示了根据IPF对沿挤压方向拉伸变形后的Mg-6.5Zn合金的晶粒取向，应变分别处于（A）0，（B）1.0%，（C）2.5%，（D）7.3%和（E）13.3%。

图6  拉伸情形下的孪生变形机制（BC） © 2023 Elsevier

沿挤压方向拉伸变形后的Mg-6.5Zn合金的菊池带衬度图，应变分别处于（A）0，（B）1.0%，（C）2.5%，（D）7.3%和（E）13.3%。

图7  拉压过程中激活孪生的Schmid因子统计 © 2023 Elsevier

（A）拉伸变形期间的ET。

（B）拉伸变形期间的CT。

（C）压缩变形期间的ET。

（D）压缩变形期间的CT。

图8  拉伸变形过程中晶内偏转取向轴分布的演变 © 2023 Elsevier

（A）与HCP Mg中不同滑移位错相关的不同旋转轴在反极图三角形上的投影。

（B-E）变形前、T+2.5、T+7.3和T+13.3的Mg-6.5Zn合金沿挤压方向拉伸变形过程中晶内偏转取向轴分布的演变。

图9  压缩变形过程中晶内偏转取向轴分布的演变 © 2023 Elsevier

（A）变形前和（B）C-7.3压缩变形后晶内偏转取向轴分布。

图10  ST-MLRA在样品T+7.3的晶粒G46中的应用示例 © 2023 Elsevier

（A）具有明显滑移迹线的晶粒G46二次电子扫描电子显微照片。

（B）变形前晶粒G46 EBSD图。该图叠加了理论上的不同滑移系的滑移迹线。

（C）{0001}极图上晶粒G46在变形前和变形后的投影结果。

（D）{0001}极图上晶粒G46围绕着（101）I锥面上三个可能滑移系对应的三个旋转轴旋转得到的理想投影偏转。

五、【成果启示】

研究发现，具有双织构的挤压Mg-6.5Zn合金的拉压屈服不对称比为0.90，优于目前已报道的无稀土变形镁合金。该合金呈现出两种不同取向的晶粒，两者晶粒尺寸相近但晶胞c轴方向却相互垂直，命名为C织构（20%，c轴//挤压方向）和E织构（80%，c轴⊥挤压方向）。E织构晶粒的变形行为与典型挤压镁合金基本一致。压缩变形由基面滑移和拉伸孪生承载，而拉伸变形促进基面滑移和非基面（柱面和锥面）滑移。这一变形机制的不同与显著的拉压屈服不对称性直接相关，因为Mg中拉伸孪生的临界分切应力（Critical resolved shear stress, CRSS）要低于柱面滑移或锥面滑移的CRSS。然而，C织构晶粒呈现出相反（并且更强）的拉压屈服不对称性。C织构晶粒中的拉伸变形由基面滑移和拉伸孪生主导，而压缩变形则开动了基面滑移和大量的压缩孪生。由于压缩孪生的CRSS远高于拉伸孪生，20% C织构晶粒对整体力学行为的贡献导致相近的拉伸和压缩屈服强度。因此，引入双织构是制备具有有限拉压屈服不对称性的变形镁合金的一种经济有效的途径。可以预测，如果进一步略微提高C织构晶粒的比例，甚至可以完全消除其拉压屈服不对称性。

原文详情：Deformation mechanisms of dual-textured Mg-6.5Zn alloy with limited tension-compression yield asymmetry (Acta Materialia 2023, 248, 118766)

本文由赛恩斯供稿，并且由论文第一作者杨标标修改完成。