南京工业大学信运昌教授团队：锂元素对镁合金塑性变形均匀性的影响机理研究

镁合金属于密排六方结构，室温下其基面滑移的临界分切应力（CRSS）显著低于非基面滑移，塑性变形过程中主要以基面滑移为主导，导致较差的室温塑性。锂元素的添加能显著提升镁合金的室温塑性，其塑性的提升与锂元素能有效提升镁合金中非基面滑移的活性有关。通常认为，镁锂合金中非基面滑移的启动，特别是<c+a>滑移的启动可增加独立滑移系的数量，实现均匀塑性变形。南京工业大学信运昌教授等人对比Mg-4.5 wt.% Li合金与纯镁在室温下的塑性变形行为发现，锂元素的添加显著提升了镁合金的均匀塑性变形能力。变形机制定量分析表明，镁锂合金沿板材横向拉伸的主导变形模式为柱面<a>滑移，纯镁沿板材横向拉伸的主导变形模式为基面<a>滑移。然而，基面<a>滑移和柱面<a>滑移均只能提供两个独立滑移系，且都不能协调c轴方向的应变。因此，将锂添加导致塑性变形均匀性增加简单归结为非基面滑移活性增加的机制不准确。

针对此问题，信运昌教授等人系统地研究了纯镁和Mg-4.5 wt.% Li板材的塑性变形行为。结合理论计算结果和CPFEM模拟结果发现，锂元素的添加对镁合金均匀塑性变形的提升，与变形由软取向晶粒所组成的带状区域向周围硬取向晶粒传递的难易程度有关。当柱面<a>滑移与基面<a>滑移间的CRSS比值较高时，不同取向晶粒的变形启动应力（AS）在较大范围内变化。变形过程中，塑性变形优先在AS非常低的晶粒内开始，由于相邻区域内晶粒的AS差值较高，因此，塑性变形很难向区域外传递，从而产生严重的塑性变形局域化，形成变形带。锂元素的添加显著降低了柱面<a>滑移与基面<a>滑移的CRSS比值。因此，镁锂合金中不同取向晶粒的AS变化范围很小，相邻晶粒之间AS差值较小，变形容易从较软的区域均匀地传递到周围的相邻区域，从而实现均匀塑性变形。这一发现为Mg-Li合金的均匀塑性变形行为提供了新的见解。

研究结果以“The mechanism for Li-addition induced homogeneous deformation in Mg-4.5wt.% Li alloy”为题发表在国际期刊《International Journal of Plasticity》上，徐敬博士为论文第一作者，管博博士为共同第一作者，信运昌教授为通讯作者。

【图文导读】

图1 室温下，纯Mg与Mg-4.5Li板材沿TD方向拉伸过程中的应变分布图。

表1.纯Mg与Mg-4.5 wt. % Li合金在不同应变量下滑移迹线统计结果

表2. 通过CPFEM获得的纯Mg硬化参数

表3. 通过CPFEM获得的Mg-4.5 wt. % Li硬化参数

图2 （a, c）纯Mg与（b, c）Mg-4.5Li中的启动应力及相邻晶粒启动应力差分布。

图3 图2中(a) Mg-4.5 wt. % Li和(b)纯Mg的典型区域的AS和ΔAS的定量分析。黑色和白色数字分别代表晶粒的AS和相邻晶粒间的ΔAS。

图4 (a)纯Mg和(b) Mg-4.5 wt. % Li中不同取向晶粒的启动应力值及晶粒取向分布。