变形镁合金各向异性行为研究进展

镁合金具有密度低、比强度高等优异性能，被广泛应用在空天、汽车、3C和能源等领域。然而，镁及其合金中基面滑移和柱面滑移只可以提供四个独立滑移系，无法满足多晶均匀塑性变形，在室温下镁合金延展性低和成形性能差，制约了其广泛应用。目前，国内外学者通过合金化和大塑性变形方法优化镁合金织构，进而改善其成形性能，如添加稀土元素和Ca元素、等通道挤压、非对称轧制等。但是，织构诱发的各向异性行为仍严重制约镁合金后续塑性加工，如制耳现象。此外，具有极性的孪生变形机制导致镁合金拉压非对称性，表现出加载路径相关的各向异性力学行为。基于唯象方法的宏观本构模型有效表征了初始各向异性和拉压非对称性，介观晶体塑性模型可以表征简单加载下镁合金各向异性行为和微观机制。然而，复杂变化加载路径下各向异性行为及其微观机理尚未澄清，因此，在变形镁合金塑性加工领域，亟需系统解决加载路径相关的各向异性机理及本构关系等问题。

最近，燕山大学国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心石宝东教授等人综述了变形镁合金加载路径相关的各向异性行为及微观机理（包括单调加载、单轴循环加载、两步加载和多轴加载），从宏观和微观两种尺度分析了HCP金属各向异性本构模型研究，着重讨论了晶体塑性中孪晶模型的最新研究进展，最后讨论了镁合金各向异性行为多尺度研究表征方法与建模，并基于集成计算科学对跨尺度建模研究变形镁合金各向异性提供了展望。

由于HCP的低对称性，变形镁合金的力学行为表现出拉压非对称性和各向异性，具有明显的加载路径和取向相关性。尽管平面各向异性行为取决于变形镁合金织构分布，但是，其微观本质是镁合金中各变形机制临界分解剪应力(CRSS)的差异。在特定加载方向，变形机制的开动可通过加载方向与晶粒c轴的角度判断。孪晶作为镁合金中一种重要的变形机制，其六种孪晶变体激活依赖于加载方式。孪晶的极特性导致了拉压非对称性和轧制板材厚向强各向异性。研究表明，在变路径加载下，主导变形机制的差异导致镁合金表现出更复杂的各向异性力学行为。拉伸-压缩-拉伸（T-C-T）和压缩-拉伸-压缩（C-T-C）是两种典型的单轴变路径加载，在室温下其主导变形机制包含三类：位错滑移、孪生和退孪生，孪生和退孪生变形机制导致了“S”型应力应变曲线。在高温循环加载下，由于孪生被抑制，主导变形机制为位错滑移。变路径加载往往诱发包申格效应、瞬时硬化和永久软化等现象，变形镁合金在两步拉伸-拉伸变路径加载时，二次拉伸的屈服强度从一次加载方向到正交逐渐减小，在压缩-拉伸变路径加载时，二次拉伸的主导变形机制由退孪生转变为位错滑移。

表 1. 室温下镁合金不同变形机制临界分解剪应力（CRSS）

在塑性成形过程中，材料往往承受多向复合应力状态。目前，针对变形镁合金多轴力学行为研究集中在双轴拉伸和拉-扭复合加载，等塑性功面和屈服面演化是表征多轴力学行为的有效方法。板织构导致镁合金双轴拉伸时等塑性功面呈现各向异性加工硬化，孪晶诱发的应变硬化行为导致了非比例加载下等塑性功面由凸向凹转变。加载路径改变导致变形镁合金后继屈服面朝预加载方向旋转和形状畸变，这种力学行为来源于非均匀的位错结构和取向变化引起的各向异性强化。为表征变形镁合金各向异性行为，预测其成形过程，提出了一系列宏观唯象本构模型来描述镁合金的初始各向异性和拉压不对称性。宏观本构模型由屈服函数、流变法则和强化准则组成，各向异性屈服函数有Hill系列、CB2004、CPB2006等。与传统的各向同性硬化和运动硬化模型相比，作者团队发展了方向相关的畸变强化模型来捕捉应变路径变化的影响。最近，均质各向异性硬化（HAH）模型被进一步泛化，以描述镁合金应变路径变化期间发生的各向异性。

图1 屈服面上双轴应力状态分布与加载方式

图2 AZ31镁合金双轴加载下加载路径相关的屈服面演化。（a）拉扭复合加载在σxx-σxy应力空间；（b）双拉复合加载在σxx-σyy应力空间

图3 新型方向相关的畸变强化模型构成

图4 方向相关的畸变强化模型表征镁合金加载路径相关的屈服面演化。（a）单轴拉伸后反向加载；（b）单轴拉伸后正交加载

借助介观晶体塑性模型可以有效理解各向异性的潜在机制，现有的晶体塑性模型分为两类：唯象模型和基于物理的模型。在唯象模型中，每个滑移系统的临界分解剪应力（CRSS）被视为一个状态变量。相比之下，基于物理模型的微观结构状态变量是位错密度。对于镁合金，孪晶和退孪晶在塑性变形中起着重要作用，晶体塑性模型是一种有效的手段研究复杂孪晶行为。国内外学者已经建立了各种孪晶模型来预测力学响应和微观结构演化，如Kalidindi模型、主导孪晶再取向（PTR）模型、复合晶粒（CG）模型和孪晶-退孪晶（TDT）模型。原位实验表征与晶体塑性模型相结合方法是今后研究HCP金属微观结构各向异性起源的发展方向。

综上，变形镁合金的各向异性行为是其密排六方（HCP）晶体结构的结果，导致各变形机制的临界分解剪应力（CRSS）的差异，主要变形机制依赖于织构、晶粒尺寸、加载模式（拉伸或压缩）和加载方向，从而导致屈服强度和应变硬化响应的巨大差异。然而，各向异性行为无法在单一尺度上得到阐明。多尺度模拟和原位实验将是未来研究的重点，以桥接宏观各向异性行为和微观结构演化。