Acta Materialia: 具有有限拉伸-壓縮屈服不對稱性的雙織構擠壓Mg-6.5Zn合金的變形機制研究

一、【導讀】

由于交通領域對高強度重量比材料的需求不斷增加，鎂和鎂合金已經成為結構部件的競爭性替代品。盡管如此，制造鎂部件的一個重要限制是強織構鎂合金的顯著拉伸-壓縮屈服不對稱性，這導致變形過程中的早期斷裂。這種行為基本上可以歸因于在拉伸和壓縮過程中激活的不同變形機制，根本上與熱機械加工產生的強織構以及{102}拉伸孿生變形的極性特征有關。因此，急切需要降低鍛造鎂合金（特別是對于非稀土鎂合金）拉壓屈服不對稱性的有效手段，并且這個問題近幾十年來一直受到了極大的關注。

?二、【成果掠影】

基于此，中南大學李云平教授、楊標標（第一作者），西班牙IMDEA材料研究所/馬德里理工大學Javier LLorca教授，以及澳大利亞迪肯大學Matthew Barnett教授和王軍博士合作，采用電子背散射衍射（Electron back-scattered diffraction, EBSD）方法詳細分析了該Mg-6.5Zn（wt.%）合金樣品在拉伸和壓縮過程中的變形機制。雙織構Mg-6.5Zn合金的屈服不對稱性僅為0.90。參考晶粒取向差分析（Grain reference orientation deviation，GROD）和滑移跡線-修正晶格旋轉分析（Slip trace - Modified lattice rotation analysis, ST-MLRA）均用于量化{102}<101>拉伸孿生（Extension twin, ET）、{101}<102>壓縮孿生（Compression twin, CT）、基面滑移、柱面滑移、<a> 錐面滑移、<c+a> I錐面滑移和 <c+a> II錐面滑移對塑性變形的貢獻。GROD可以對EBSD全圖開展晶格旋轉的統計分析，而ST-MLRA則結合了表面滑移跡線和極圖上的晶格旋轉，可以給出單個晶粒內主要開動滑移系的準確判斷。這些結果為設計具有有限拉壓屈服不對稱性的雙織構鎂合金提供了指導。相關研究成果以“Deformation mechanisms of dual-textured Mg-6.5Zn alloy with limited tension-compression yield asymmetry”為題發表在國際知名期刊Acta Materialia上。

三、【核心創新點】

采用電子背散射衍射（EBSD）技術詳細分析了雙織構Mg-6.5Zn（wt.%）合金樣品在拉伸和壓縮變形過程中的變形機制。該合金的屈服不對稱性僅為0.90，為具有有限拉壓屈服不對稱性的雙織構鎂合金設計提供了指導。

?四、【數據概覽】

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圖1? 變形前Mg-6.5 Zn合金的微觀結構 ? 2023 Elsevier

（A）電子背散射衍射（EBSD）反極圖（Inverse pole figure, IPF）。參考方向為擠壓方向。

（B）晶粒尺寸分布。

（C）{0002}、{100}和{101}極圖。

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圖2? 理論孿生施密特因子分布 ? 2023 Elsevier

（A）C織構的晶粒中拉伸下的ET和壓縮下的CT。

（B）C織構的晶粒在拉伸下的CT和壓縮下的ET。

（C）E織構的晶粒中拉伸下的ET和壓縮下的CT。

（D）E織構的晶粒在拉伸下的CT和壓縮下的ET。

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圖3 ?Mg-6.5Zn合金在沿著擠壓方向拉伸和壓縮過程中的真應力-真應變曲線 ? 2023 Elsevier

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圖4 ?壓縮情形下的孿生變形機制 ? 2023 Elsevier

壓縮至（A, B）1.5% 和（C, D）7.3%后的Mg-6.5Zn合金的（A, C）反極圖（IPF）和（B, D）菊池帶襯度圖（Band contrast, BC）。

圖5 ?拉伸情形下的孿生變形機制（IPF） ? 2023 Elsevier

EBSD圖顯示了根據IPF對沿擠壓方向拉伸變形后的Mg-6.5Zn合金的晶粒取向，應變分別處于（A）0，（B）1.0%，（C）2.5%，（D）7.3%和（E）13.3%。

圖6 ?拉伸情形下的孿生變形機制（BC） ? 2023 Elsevier

沿擠壓方向拉伸變形后的Mg-6.5Zn合金的菊池帶襯度圖，應變分別處于（A）0，（B）1.0%，（C）2.5%，（D）7.3%和（E）13.3%。

圖7 ?拉壓過程中激活孿生的Schmid因子統計 ? 2023 Elsevier

（A）拉伸變形期間的ET。

（B）拉伸變形期間的CT。

（C）壓縮變形期間的ET。

（D）壓縮變形期間的CT。

圖8 ?拉伸變形過程中晶內偏轉取向軸分布的演變 ? 2023 Elsevier

（A）與HCP Mg中不同滑移位錯相關的不同旋轉軸在反極圖三角形上的投影。

（B-E）變形前、T+2.5、T+7.3和T+13.3的Mg-6.5Zn合金沿擠壓方向拉伸變形過程中晶內偏轉取向軸分布的演變。

圖9 ?壓縮變形過程中晶內偏轉取向軸分布的演變 ? 2023 Elsevier

（A）變形前和（B）C-7.3壓縮變形后晶內偏轉取向軸分布。

圖10 ?ST-MLRA在樣品T+7.3的晶粒G46中的應用示例 ? 2023 Elsevier

（A）具有明顯滑移跡線的晶粒G46二次電子掃描電子顯微照片。

（B）變形前晶粒G46 EBSD圖。該圖疊加了理論上的不同滑移系的滑移跡線。

（C）{0001}極圖上晶粒G46在變形前和變形后的投影結果。

（D）{0001}極圖上晶粒G46圍繞著（101）I錐面上三個可能滑移系對應的三個旋轉軸旋轉得到的理想投影偏轉。

五、【成果啟示】

研究發現，具有雙織構的擠壓Mg-6.5Zn合金的拉壓屈服不對稱比為0.90，優于目前已報道的無稀土變形鎂合金。該合金呈現出兩種不同取向的晶粒，兩者晶粒尺寸相近但晶胞c軸方向卻相互垂直，命名為C織構（20%，c軸//擠壓方向）和E織構（80%，c軸⊥擠壓方向）。E織構晶粒的變形行為與典型擠壓鎂合金基本一致。壓縮變形由基面滑移和拉伸孿生承載，而拉伸變形促進基面滑移和非基面（柱面和錐面）滑移。這一變形機制的不同與顯著的拉壓屈服不對稱性直接相關，因為Mg中拉伸孿生的臨界分切應力（Critical resolved shear stress, CRSS）要低于柱面滑移或錐面滑移的CRSS。然而，C織構晶粒呈現出相反（并且更強）的拉壓屈服不對稱性。C織構晶粒中的拉伸變形由基面滑移和拉伸孿生主導，而壓縮變形則開動了基面滑移和大量的壓縮孿生。由于壓縮孿生的CRSS遠高于拉伸孿生，20% C織構晶粒對整體力學行為的貢獻導致相近的拉伸和壓縮屈服強度。因此，引入雙織構是制備具有有限拉壓屈服不對稱性的變形鎂合金的一種經濟有效的途徑。可以預測，如果進一步略微提高C織構晶粒的比例，甚至可以完全消除其拉壓屈服不對稱性。

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

本文由賽恩斯供稿，并且由論文第一作者楊標標修改完成。