挤压AZ31镁合金棒拉压各向异性力学行为研究综述

挤压AZ31镁合金棒拉压各向异性力学行为研究综述

1 引言

镁合金因密度低、比强度高而被广泛用于轻量化结构件。但其HCP晶体结构在室温下可动滑移系有限，加之挤压/轧制形成的强织构，导致镁合金往往表现出显著的拉压屈服不对称与力学各向异性。前人多以VPSC等晶体塑性模型研究轧制板材，对挤压棒材在多个加载倾角下的拉压各向异性研究较少。

赵玲玉团队、郭晓倩团队等人在Acta Metallurgica Sinica (English Letters)期刊上发布了题为“Anisotropic Mechanical Behavior in an Extruded AZ31 Magnesium Alloy: Experimental and Crystal Plasticity Modeling"的文章。该文针对挤压AZ31镁合金棒，沿挤压径向与挤压方向成φ=0°、30°、60°、90°加工试样，结合DIC实验、EBSD表征与VPSC-TDT模型，系统分析了挤压棒在四种加载方向下的拉伸与压缩行为及其变形机制。

2 实验与VPSC-TDT模型

2.1 实验与表征

材料为挤压态AZ31镁合金圆棒，沿φ=0°、30°、60°、90°加工拉伸(T)与压缩(C)试样(图1)。DIC单轴加载获取真实应力-应变曲线，EBSD表征初始与各变形试样的晶界/孪晶界(GB+TB)、反极图(IPF)与极图(PF)。初始组织为典型挤压基面纤维织构，c轴垂直挤压方向，平均晶粒尺寸34.8 μm，未见孪晶。

Fig. 1 拉伸与压缩样品示意及初始EBSD组织

2.2 VPSC-TDT模型与参数

采用考虑孪生-退孪生的黏塑性自洽模型VPSC-TDT，将每个<10-11>拉伸孪生变体作为新晶粒，并引入四种操作：A形核、B长大、C收缩、D再孪生。孪晶体积分数(TVF)由上述剪切速率耦合控制，阈值TVF Vth由参数A1、A2约束。硬化采用Voce模型描述临界分切应力(CRSS)的累积演化，潜硬化系数刻画滑移/孪生交互。模拟纳入基面<11-20>、柱面<11-20>、锥面<c+a><11-23>三种滑移及拉伸孪生。参考剪切速率γ=0.001 s⁻¹，速率敏感指数m=0.05；弹性常数取自镁单晶室温值(C11=58.0、C12=25.0、C13=20.8、C33=61.2、C44=16.6 GPa)。初始CRSS满足τbasal<τtwin<τprismatic<τpyramidal<c+a>；Voce硬化参数由0°曲线标定，再由90°曲线迭代修正。

3 结果

3.1 变形组织与织构

变形后GB+TB、IPF和PF图(图2)显示，拉伸孪晶界占主导，几乎不出现压缩孪晶与二次孪晶。T30在ε=0.03时孪晶多于T60；C0与C90在ε=0.06时孪生显著，C90几乎孪晶化，平均晶粒细化至9.6 μm。

Fig. 2 T30、T60、C0、C90变形组织的GB+TB、IPF和PF图

3.2 应力-应变响应与变形模式

VPSC-TDT模拟的真实应力-应变曲线与实验吻合良好(图3)。拉伸随φ增大，基面滑移与拉伸孪生活动降低，柱面滑移逐渐主导(图4a1-a4)。压缩机制更复杂：C90初期以拉伸孪生为主，后期由基面滑移接替；C0、C30后期以基面滑移+锥面<c+a>滑移为主，C60、C90以基面滑移+柱面滑移为主。各变形模式的竞争主导了宏观流动与硬化差异。

Fig. 3 不同加载方向下的真实应力-应变曲线实验值与模拟值

Fig. 4 拉压真实应力-应变曲线及变形模式相对活动性

3.3 拉压屈服不对称性

拉伸屈服强度YS-T从60 MPa(0°)升至约180 MPa(90°)，增幅197%；极限强度US-T先略降后回升。压缩屈服强度YS-C几乎恒定(~62 MPa)，而压缩极限强度US-C从C0的252 MPa升至C90的336 MPa。拉压屈服强度比YS-T/YS-C依次为0.99、1.40、1.59、2.62，与φ正相关：90°，30°最弱(图5)。

Fig. 5 屈服强度、极限强度及拉压屈服不对称比随角度的变化

3.4 归一化应变硬化率

归一化SHR=dσ/dε/G(G=16.3 GPa)的实验与模拟结果见图6。拉伸T0呈三阶段(I降、II略升、III降)，其余仅两阶段；II阶段上升与拉伸孪生活动有关。压缩均呈三阶段，C60、C90因孪生激活度高，II阶段显著；孪生耗尽后非基面滑移主导，SHR进入III阶段下降。

Fig. 6 归一化应变硬化率曲线实验值与模拟值

3.5 织构演化与孪晶体积分数

实测与模拟织构(图7)显示，T30部分晶粒被重取向至垂直于加载方向，T60织构变化较小；压缩C0、C90的部分晶粒c轴向加载方向旋转。预测织构演化(图8、图9)进一步表明，拉伸T0、T30因孪生形成两个取向集中带，T60、T90织构变化小；压缩时晶粒c轴向加载方向旋转，C90旋转近90°。TVF曲线(图10)呈先增后稳的平台特征：拉伸TVF随φ增大而降低，压缩则升高；典型值为T30 15.7%(ε=0.03)、T60 2.9%、C0 22.3%(ε=0.06)、C90 56.4%，与模型定量吻合。

Fig. 7 T30、T60、C0、C90实测与模拟变形织构

Fig. 8 拉伸各方向(0°/30°/60°/90°)预测的织构演化

Fig. 9 压缩各方向(0°/30°/60°/90°)预测的织构演化

Fig. 10 实测与模拟的拉伸孪晶体积分数

4 讨论

4.1 Schmid因子分析

基面滑移ASF在φ≈30°时最大(~0.367)，对T30塑性贡献显著；柱面滑移ASF随φ单调升高，90°最高，因CRSS较高导致T90屈服强度显著升高(图11)。IGMA分析(图12)验证了T30、T60中高SF滑移系优先开动；压缩因孪生、基面滑移与锥面<c+a>滑移共同作用，局部取向轴偏离理想Taylor轴分布。拉伸孪生SF极射投影(图13)与频率分布(图14)显示：拉伸时c轴∥LD的晶粒SF高，T0、T30易孪生，T60、T90低SF占比高而难以孪生；压缩时c轴⊥LD的晶粒SF高，C90约90%晶粒SF在0.4-0.5之间，孪生极易启动。SF分析与TVF演化及织构重取向趋势一致。

Fig. 11 基面滑移与柱面滑移Schmid因子频率分布及平均Schmid因子

Fig. 12 典型晶粒的IGMA分析及基面/柱面滑移Schmid因子

Fig. 13 拉伸孪生Schmid因子极射投影图

Fig. 14 拉伸孪生Schmid因子频率分布

4.2 孪生变体选择

T30与C90典型晶粒的孪生变体选择及取向重取向见图15。T30部分晶粒激活2-3对孪生变体，导致~86°重取向并在极图出现双峰分布；C90大多数孪晶化晶粒仅激活1对变体。最高Schmid因子变体通常优先开动，但部分晶粒(如T30-G1选择V3而非最高SF的V5)出现非Schmid型偏差，反映局部应力集中、晶界约束与相邻滑移系交互的影响。

Fig. 15 T30与C90典型晶粒G1-G4的孪生变体选择与取向重取向

5 结论

(1) 挤压AZ31棒强基面纤维织构导致拉伸屈服、极限强度、拉压不对称比与SHR随φ呈显著各向异性。(2) VPSC-TDT模型可定量再现应力-应变曲线、织构演化和拉伸孪晶体积分数。(3) 拉伸时柱面滑移随φ逐渐主导，YS-T显著升高；压缩C90初期以拉伸孪生为主，C0、C30后期由基面滑移与锥面<c+a>滑移共同主导。(4) 孪生对SHR的II阶段上升有重要贡献，孪生耗尽后非基面滑移主导导致SHR下降。(5) Schmid因子分析解释了基面/柱面滑移及孪生的激活趋势，孪生变体选择以高SF为主但存在非Schmid偏差。