AZ31镁合金预孪晶调控自由端扭转Swift效应综述

AZ31镁合金预孪晶调控自由端扭转Swift效应研究综述

1 引言

密排六方（HCP）结构的镁合金室温下独立滑移系匮乏，拉伸孪生因施密特因子高、临界分切应力低的协调机制。该孪生系统具有极性：沿c轴拉伸时形核长大，沿c轴压缩时则发生退孪生，因此孪晶既可以'消耗'也可以'再生'，这使得经受预变形的镁合金在后续反向或非比例加载中表现出独特的组织与力学响应。

当实心圆棒承受自由端扭转时，材料会沿轴向产生二阶应变，即Swift效应。由于扭转在截面上形成径向梯度分布的剪应力并伴随拉-压分量，孪生与退孪生可能同时在不同区域或不同晶粒中激活，其净效应决定Swift效应的符号与幅值。

郭晓倩团队、马超团队等人围绕'预存孪晶如何改写Swift效应'这一命题，在Journal of Magnesium and Alloys期刊上发表了名为“Understanding the twinning-detwinning mechanism in the Swift effect for Mg–3Al–1Zn bar during free-end torsion"的论文。该文对挤压AZ31镁合金棒开展了预压缩-扭转路径下的实验表征与晶体塑性模拟，建立了解释孪生-退孪生竞争的定量判据。

2 实验与模拟方法

研究以直径30 mm的挤压AZ31镁合金棒为起始材料，经400 °C×2 h退火消除挤压织构以外的加工组织。沿棒材轴向（ED）分别预压缩1%、3%、6%以引入体积分数递增的孪晶，再从棒心部加工Φ7 mm×20 mm圆柱试样开展自由端扭转（扭转角60°与90°），全程记录扭矩与轴向变形，据此提取剪应力-剪应变关系及Swift效应曲线。组织表征采用配备Oxford HKL系统的TESCAN MIRA3 SEM-EBSD，分别以1000×1000 μm²（预变形态，步长1.5 μm）和500×500 μm²（扭转型，步长1 μm）区域获取IPF、晶界/孪晶界、KAM与极图数据，并追踪孪晶体积分数（TVF）及[0001]取向分布的演化。

图1 试样制备与实验流程示意图：(a) 初始挤压态AZ31镁合金棒；(b) 引入孪晶的预压缩试验；(c) 后续自由端扭转试验及显微组织表征的观察区域

模拟方面，将EVPSC-TDT多晶体本构嵌入扭转专用有限元（TFE）框架：圆截面被划分为10层同心柱壳单元，每层积分点承载约2000个晶粒，从而显式描述扭转的径向应力-应变梯度。TDT方案以孪晶形核（A）、长大（B）、收缩（C）、再孪生（D）四类操作刻画孪生-退孪生动力学，TVF演化受阈值函数Vth=min(1.0, A1+A2·Veff/Vacc)约束；滑移系涵盖基面⟨a⟩、柱面⟨a⟩与锥面⟨c+a⟩滑移，硬化律取Voce形式，全部参数由ED拉伸、压缩及预压缩TVF曲线标定。

图2 扭转专用有限元示意图：(a) 内、外半径分别为r1和r2的圆柱管单元定义；(b) 材料采样点（×）

3 预变形对扭转响应与组织演化的影响

3.1 力学行为与Swift效应反转

预压缩在提高扭转屈服强度的同时削弱了均匀变形能力：与未预压的PC0%-T相比，PC1%-T、PC3%-T、PC6%-T的屈服强度分别升高47.2%、61.4%、87.3%，极限强度与均匀延伸率则依次下降。应变硬化率经归一化后呈两阶段衰减，且第二阶段水平随预应变增大而降低。最引人注目的是轴向响应的系统性转变——未预压试样随剪应变增大不断轴向收缩，最大达−5.6%；1%预压使收缩峰值回落到−3.5%；3%预压下轴向应变在初期近零、后期转为+0.3%的伸长；6%预压则全程伸长并增至+1.5%。Swift效应由收缩到伸长的反转，预示轴向变形的载体从孪生主导切换为退孪生主导。

图3 预压缩后的扭转力学行为：(a) 剪应力-剪应变曲线；(b) 屈服强度(YS)、极限强度(US)与均匀延伸率(UE)随预压缩应变的变化；(c) 归一化应变硬化率；(d) Swift效应

3.2 预变形组织与扭转后的演化

原始棒材为基面纤维织构C-I（c轴⊥ED）的等轴再结晶组织。预压缩使孪晶片层逐级增多，1%、3%、6%预压对应的TVF约为9.2%、31.5%与56.1%，同时极图中出现c轴近平行ED的C-II织构组分，KAM由0.2°左右逐步抬升，表明孪晶带来的局部取向梯度加剧。

图4 预应变试样的显微组织与织构：(a) PC0%-T0、(b) PC1%-T0、(c) PC3%-T0和(d) PC6%-T0

图5 按[0001]取向角划分的取向分布（60°–90°记为C-I，0°–60°记为C-II）：(a) PCx%-T0、(b) PCx%-T60、(c) PCx%-T90

自由端扭转后的组织演化呈现出清晰的'孪生-退孪生分水岭'：PC0%-T与PC1%-T中孪晶随剪应变持续增殖；而PC3%-T与PC6%-T在扭转60°时TVF分别达到54.3%与62.3%的高位，继续扭至90°反而回落到48.9%与58.6%，证实扭转使预存孪晶发生了净收缩（退孪生）。织构随动演化：扭转60°后c轴//ED极图峰增强，90°后减弱，且[0001]分布向径向倾斜。取向差谱提供了旁证——低预压试样中80–90°取向差（Frame A，孪晶界特征）随扭转增多，高预压试样中Frame A减少、约60°的Frame A外的Frame B分量增多，对应孪晶变体交互与滑移诱导晶格转动。

图6 自由端扭转60°试样的显微组织与织构：(a) PC0%-T60、(b) PC1%-T60、(c) PC3%-T60和(d) PC6%-T60

图7 自由端扭转90°试样的显微组织与织构：(a) PC0%-T90、(b) PC1%-T90、(c) PC3%-T90和(d) PC6%-T90

图8 预压缩扭转试样的取向差角分布：(a) PC0%-T、(b) PC1%-T、(c) PC3%-T和(d) PC6%-T

3.3 模拟验证与机制分解

TFE-EVPSC-TDT对剪应力-剪应变曲线及Swift效应的预测与实验吻合良好，仅在PC3%-T过渡区对轴向应变的估计略偏保守，这与径向组织不均匀性及退孪生-滑移竞争对径向离散方案的敏感性有关。机制分解显示：预压缩阶段以基面滑移与孪生为主；扭转阶段基面与柱面滑移始终占主导，柱面滑移活性随预应变增加而下降，锥面⟨c+a⟩滑移仅在大剪应变时少量激活。孪生操作分解进一步表明：未预压试样TVF单调增长；预变形试样在扭转初期即发生TVF衰减，退孪生操作（C+D）的贡献随预应变增大而增强，PC6%-T的TVF净降幅约13.5%。模拟织构演化重现了母晶向ED约20°转动及C-II组分随扭转角增大而弱化的实验特征。

图9 挤压AZ31镁合金棒经0%、1%、3%和6%预应变后的(a)剪应力-剪应变曲线与(b)Swift效应（符号-实验，线条-模拟）

图10 预压缩-卸载及后续自由端扭转过程中滑移与孪生系统的相对活性：(a) PC0%-T、(b) PC1%-T、(c) PC3%-T和(d) PC6%-T

图11 后续自由端扭转过程中的孪生行为：(a) 总孪晶体积分数；(b) 四类操作的体积分数，其中操作A为孪晶形核、B为孪晶长大、C为孪晶收缩、D为再孪生

图12 预应变试样外表面在不同扭转角ψ（0°、60°、90°）下的织构演化预测

4 孪生-退孪生竞争机制

4.1 改进GSF判据

为在扭转多轴应力下统一判定孪生与退孪生的发生条件，作者定义了以von Mises等效应力归一化的改进全局Schmid因子（GSF）：GSF>0意味着等效拉伸应力驱动孪晶形核长大；GSF<0意味着等效压缩应力驱动预存孪晶退孪生。z-θ平面上的GSF分布图显示，预压缩后C-II组分的GSF分布近似中心对称；扭转至60°时，负GSF比例随预压缩量增大而上升，与退孪生的加剧一致；扭至90°时负GSF比例回落、GSF>0.3的高正值比例上升，对应退孪生重新让位于新孪生。

图13 (a) z-θ平面内孪生的全局Schmid因子分布；(b) 以PC6%-T0为例、以点表示的C-I与C-II晶粒取向

图14 不同预压缩及后续剪应变下C-II组分中孪生的GSF值分布：(a) PCx%-T0、(b) PCx%-T60、(c) PCx%-T90；孪晶GSF分布统计：(d) GSF<0、(e) GSF≥0、(f) GSF>0.3

4.2 退孪生的微观证据

典型晶粒分析将GSF判据落实到了微观尺度：GSF为正的晶粒（如PC0%-T中的G-1）发生孪生；GSF为负的预存孪晶晶粒（PC1%-T的G-2、PC6%-T的G-6）内部则密布3–8°小角度晶界，对应退孪生过程中孪晶界与位错的交互。统计上，3–8° LAGB频率随预应变与扭转角同步升高，在PC6%-T90达到29.84%，构成预孪晶促进扭转退孪生的直接组织学证据。

图15 IPF图中具有孪生GSF值的典型晶粒及晶内取向差角沿选定距离的分布（点对点检测区间由蓝色或黄色箭头标示），试样为PC0%-T、PC1%-T、PC3%-T和PC6%-T

4.3 Swift效应的定量归因

以孪生剪切量γ_twin=0.129为基础的几何上界模型给出孪生可贡献的最大轴向伸长约6.66%、最大轴向收缩约6.24%。对照实验轴向应变：未预压与1%预压时，仅按孪生估算的收缩量远小于实测值，说明位错滑移反向提供轴向伸长、抵消了部分孪生收缩；6%预压时，扭转早期实测伸长与退孪生贡献估计吻合，而大剪应变下实验伸长超出孪生模型上限，表明滑移成为后期伸长的补充来源。由此，Swift效应的完整机制链条得以闭合：早期由孪生/退孪生主导，随剪应变增大逐渐过渡为滑移主导，两者共同决定轴向应变的演化轨迹。

图16 (a) 镁合金孪生晶体学要素；(b) 孪生与退孪生过程中沿c轴的应变贡献

图17 扭转试验实测轴向应变与不同预压缩水平下由拉伸孪生估算的轴向贡献

5 结论

（1）Swift效应的方向可由预孪晶调控：随预压缩应变由0%增至6%，最大轴向应变从−5.6%的收缩单调过渡到+1.5%的伸长，屈服强度同步提高47.2%–87.3%。（2）扭转GSF判据将孪生与退孪生统一到同一框架下：正GSF促进孪晶形核长大，负GSF驱动预存孪晶退孪生；预孪晶含量决定了负GSF晶粒的比例，从而决定了退孪生的强弱。（3）扭转早期的轴向响应由孪生-退孪生竞争主导，退孪生将c轴应变收缩转化为轴向伸长；位错滑移随剪应变增大逐渐成为抑制轴向收缩、贡献轴向伸长的第二机制，二者的接力构成了Swift效应演化的微观本质。