南京工業大學信運昌教授團隊：鋰元素對鎂合金塑性變形均勻性的影響機理研究

鎂合金屬于密排六方結構，室溫下其基面滑移的臨界分切應力（CRSS）顯著低于非基面滑移，塑性變形過程中主要以基面滑移為主導，導致較差的室溫塑性。鋰元素的添加能顯著提升鎂合金的室溫塑性，其塑性的提升與鋰元素能有效提升鎂合金中非基面滑移的活性有關。通常認為，鎂鋰合金中非基面滑移的啟動，特別是<c+a>滑移的啟動可增加獨立滑移系的數量，實現均勻塑性變形。南京工業大學信運昌教授等人對比Mg-4.5 wt.% Li合金與純鎂在室溫下的塑性變形行為發現，鋰元素的添加顯著提升了鎂合金的均勻塑性變形能力。變形機制定量分析表明，鎂鋰合金沿板材橫向拉伸的主導變形模式為柱面<a>滑移，純鎂沿板材橫向拉伸的主導變形模式為基面<a>滑移。然而，基面<a>滑移和柱面<a>滑移均只能提供兩個獨立滑移系，且都不能協調c軸方向的應變。因此，將鋰添加導致塑性變形均勻性增加簡單歸結為非基面滑移活性增加的機制不準確。

針對此問題，信運昌教授等人系統地研究了純鎂和Mg-4.5 wt.% Li板材的塑性變形行為。結合理論計算結果和CPFEM模擬結果發現，鋰元素的添加對鎂合金均勻塑性變形的提升，與變形由軟取向晶粒所組成的帶狀區域向周圍硬取向晶粒傳遞的難易程度有關。當柱面<a>滑移與基面<a>滑移間的CRSS比值較高時，不同取向晶粒的變形啟動應力（AS）在較大范圍內變化。變形過程中，塑性變形優先在AS非常低的晶粒內開始，由于相鄰區域內晶粒的AS差值較高，因此，塑性變形很難向區域外傳遞，從而產生嚴重的塑性變形局域化，形成變形帶。鋰元素的添加顯著降低了柱面<a>滑移與基面<a>滑移的CRSS比值。因此，鎂鋰合金中不同取向晶粒的AS變化范圍很小，相鄰晶粒之間AS差值較小，變形容易從較軟的區域均勻地傳遞到周圍的相鄰區域，從而實現均勻塑性變形。這一發現為Mg-Li合金的均勻塑性變形行為提供了新的見解。

研究結果以“The mechanism for Li-addition induced homogeneous deformation in Mg-4.5wt.% Li alloy”為題發表在國際期刊《International Journal of Plasticity》上，徐敬博士為論文第一作者，管博博士為共同第一作者，信運昌教授為通訊作者。

【圖文導讀】

圖1 室溫下，純Mg與Mg-4.5Li板材沿TD方向拉伸過程中的應變分布圖。

表1.純Mg與Mg-4.5 wt. % Li合金在不同應變量下滑移跡線統計結果

表2. 通過CPFEM獲得的純Mg硬化參數

表3. 通過CPFEM獲得的Mg-4.5 wt. % Li硬化參數

圖2 （a, c）純Mg與（b, c）Mg-4.5Li中的啟動應力及相鄰晶粒啟動應力差分布。

圖3 圖2中(a) Mg-4.5 wt. % Li和(b)純Mg的典型區域的AS和ΔAS的定量分析。黑色和白色數字分別代表晶粒的AS和相鄰晶粒間的ΔAS。

圖4 (a)純Mg和(b) Mg-4.5 wt. % Li中不同取向晶粒的啟動應力值及晶粒取向分布。