鎂合金具有密度低、比強(qiáng)度高和阻尼減震等優(yōu)異性能，是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化和節(jié)能減排關(guān)鍵基礎(chǔ)材料之一，對(duì)推動(dòng)國(guó)家雙碳戰(zhàn)略具有不可替代的作用。然而，強(qiáng)各向異性是制約鎂合金零件塑性成形的關(guān)鍵瓶頸問題，嚴(yán)重影響其核心零部件成形制造。近年來，研究人員在改善變形鎂合金各向異性力學(xué)性能方面已經(jīng)開展了大量工作，但是針對(duì)各向異性機(jī)理及本構(gòu)關(guān)系尚缺乏系統(tǒng)描述。

近日，來自燕山大學(xué)國(guó)家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心的石寶東博士等人報(bào)道和總結(jié)了鎂合金各向異性行為及本構(gòu)模型研究進(jìn)展。綜述了變形鎂合金在不同加載條件（包括單調(diào)加載、單軸循環(huán)加載、兩步加載和多軸加載）下的各向異性行為及微觀機(jī)理，從宏觀和細(xì)觀兩種尺度分析了HCP金屬各向異性本構(gòu)關(guān)系，著重討論了晶體塑性中孿晶模型的最新研究情況，最后分析了鎂合金各向異性行為多尺度表征方法與建模思路，并基于集成計(jì)算科學(xué)展望了跨尺度建模研究變形鎂合金各向異性行為的途徑。該綜述論文以題為“Anisotropy of wrought magnesium alloys: A focused overview”發(fā)表在鎂合金領(lǐng)域頂刊《Journal of Magnesium and Alloys》(2020年影響因子：10.088，中科院一區(qū))。

論文連接：https://doi.org/10.1016/j.jma.2022.03.006

由于HCP金屬的低對(duì)稱性，變形鎂合金的力學(xué)行為表現(xiàn)出拉壓非對(duì)稱性和各向異性，具有明顯的加載路徑和取向相關(guān)性。盡管平面各向異性行為取決于變形鎂合金織構(gòu)分布，但是，其微觀本質(zhì)是鎂合金中各變形機(jī)制臨界分解剪應(yīng)力(CRSS)的差異。沿特定加載方向，變形機(jī)制的開動(dòng)可通過加載方向與晶粒c軸的角度判斷。加載路徑變化誘發(fā)的屈服面形狀畸變歸因于非均勻的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)和取向變化引起的各向異性硬化。與傳統(tǒng)各向同性硬化和運(yùn)動(dòng)硬化模型不同，石博士等建立了加載路徑相關(guān)的扭曲硬化模型以捕捉應(yīng)變路徑變化的作用。此外，均質(zhì)各向異性硬化（HAH）模型也被進(jìn)一步泛化，以描述鎂合金等應(yīng)變路徑變化期間發(fā)生的各向異性行為。在細(xì)觀晶體塑性模型方面，研究人員已經(jīng)建立了各種孿生模型來預(yù)測(cè)力學(xué)響應(yīng)和微觀結(jié)構(gòu)演化，如Kalidindi模型、主導(dǎo)孿晶再取向（PTR）模型、復(fù)合晶粒（CG）模型和孿晶-退孿晶（TDT）模型。原位實(shí)驗(yàn)表征與晶體塑性模型相結(jié)合的方法有望成為研究HCP金屬微觀結(jié)構(gòu)各向異性起源的新發(fā)展方向。

表 1. 室溫下鎂合金不同變形機(jī)制CRSS

圖1 不同加載方式下{10-12}孿生施密特因子分析

圖2 AZ31鎂合金加載路徑相關(guān)的屈服面演化

圖3 新型加載路徑相關(guān)的扭曲硬化（distortional hardening）模型構(gòu)成

圖4 加載路徑相關(guān)的扭曲硬化模型表征鎂合金各向異性行為

綜上，變形鎂合金各向異性行為是其密排六方（HCP）晶體結(jié)構(gòu)的結(jié)果，造成各變形機(jī)制的臨界分解剪應(yīng)力（CRSS）的差異，主要變形機(jī)制依賴于織構(gòu)、晶粒尺寸、加載模式（拉伸、壓縮、加載方向等），從而導(dǎo)致屈服強(qiáng)度和應(yīng)變硬化響應(yīng)的巨大差異。研究發(fā)現(xiàn)，各向異性行為無法在單一尺度上闡明。因此，多尺度模擬和原位實(shí)驗(yàn)將是未來研究工作的重要方向之一，以連接宏觀各向異性行為和顯微組織演化；其中核心工作是基于集成計(jì)算材料工程（ICME），實(shí)現(xiàn)本構(gòu)模型從宏觀到納米尺度的橋接。

致謝：本工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（51771166）、重慶市科技創(chuàng)新引導(dǎo)專項(xiàng)（cstc2020yszx-jcyjX0001）、河北省自然科學(xué)基金（E2019203452、E2021203011）等的支持和資助。

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