通过原位同步辐射X射线衍射技术揭示了AM镁合金的拉伸-压缩不对称性

《Journal of Magnesium and Alloys》：Tension-compression asymmetry of an AM magnesium alloy unveiled by in-situ synchrotron X-ray diffraction

本研究通过同步辐射X射线衍射和EBSD分析，揭示了Mg-0.6Mn-0.5Al-0.5Zn-0.4Ca合金在拉伸和压缩下的变形机制不对称性。结果表明，合金的强织构导致压缩屈服强度显著低于拉伸（CYS/TYS=0.74）。拉伸以位错滑移为主，加工硬化率骤降；压缩早期激活张性孪生，导致晶格取向变化，后期位错滑移主导，孪生界面对位错运动阻碍显著，贡献约43%的加工硬化。研究证实织构和晶粒细化对变形行为的影响。

　　镁合金因其六方最密堆积（hcp）结构而表现出各向异性机械性能，这常常导致拉伸与压缩之间的不对称性。这种不对称性是镁合金在结构应用中的关键挑战之一，特别是在轻量化交通运输领域。因此，理解镁合金在拉伸和压缩过程中不同的变形机制，对于提高其工程性能至关重要。本研究通过在同步辐射X射线衍射装置中进行原位拉伸和压缩测试，结合电子背散斑衍射（EBSD）和透射电子显微镜（TEM）分析，对一种含铝和锰的镁合金（AM合金 Mg-0.6Mn-0.5Al-0.5Zn-0.4Ca）进行了系统研究。研究结果表明，该合金在拉伸和压缩过程中表现出不同的变形行为和机制，这些差异与拉伸后的强织构密切相关。

在拉伸过程中，变形主要由非基面〈a〉和〈c+a〉滑移主导，而变形孪生被抑制。这是因为，合金的初始织构导致基面〈a〉滑移系统在拉伸过程中受到不利的应力方向影响，使得其难以激活。相反，在压缩过程中，早期阶段会出现拉伸孪生，随后由位错滑移主导。这种变形孪生引起的晶粒再取向，使得晶格应变随着织构发展而演变。拉伸-压缩不对称性主要是由于压缩过程中孪生系统中形成的有利剪切应力方向，从而促进拉伸孪生的激活。在拉伸过程中，塑性变形速率（SHR）在屈服后显著下降，因为可用的滑移系统有限。相比之下，压缩过程中的SHR在屈服后显著增加。压缩初期，位错增殖主导了初始的塑性硬化，而在更高应变下，孪生逐渐成为更显著的贡献因素。

本研究通过原位测试方法，首次系统分析了镁合金在拉伸和压缩过程中的变形机制。在拉伸过程中，X射线衍射数据表明，晶面间距的变化与应变有关，且晶格应变的演变可以分为三个区域：弹性变形区、弹性-塑性过渡区和塑性变形区。在弹性变形区，所有晶面的晶格应变随着应变线性增加，且斜率一致，表明它们的杨氏模量相近。在弹性-塑性过渡区，晶格应变开始偏离线性，标志着晶粒屈服的开始。而在塑性变形区，晶格应变逐渐趋于稳定，最终在断裂前下降，表明所有晶面在拉伸过程中受到压缩应力影响。这一现象说明，晶格应变的演变与织构密切相关。

在压缩过程中，晶格应变的变化同样受到织构的影响。晶格应变在压缩初期主要由弹性变形主导，而在屈服后，晶格应变的演变开始偏离线性，显示出塑性变形的开始。随着应变的增加，晶格应变继续以接近恒定的速率增长，直到最终断裂。值得注意的是，压缩过程中，{0002}晶面的晶格应变逐渐增加，最终达到最大值并承担最大载荷。这一现象可能与晶粒在压缩过程中取向的变化有关，导致该晶面的应力状态发生变化。

通过电子背散斑衍射（EBSD）分析，可以观察到在压缩过程中，大量拉伸孪生形成。这些孪生会导致晶粒旋转约86°，从而显著改变晶粒取向。这种晶粒旋转使得晶粒的c轴逐渐与加载方向对齐，形成强烈的压缩织构。相比之下，拉伸过程中，由于晶粒的c轴受到压缩应力，拉伸孪生的激活受到抑制。因此，拉伸过程中主要由位错滑移主导变形，而压缩过程中，拉伸孪生在早期阶段成为主导的变形机制。

在拉伸和压缩过程中，位错的增殖和分布也呈现出不同的特征。在拉伸过程中，位错密度在屈服后迅速增加，但随后逐渐趋于稳定。而在压缩过程中，位错密度在屈服后迅速增加，随后在后期阶段再次上升，这可能与局部应力集中有关。这些应力集中通常由孪生的生成、孪生与晶界相互作用以及局部变形带的形成所引起，从而促进位错的生成和增殖。

在讨论部分，研究进一步分析了拉伸-压缩不对称性的成因。镁合金的拉伸屈服强度高于压缩屈服强度，这与晶粒取向的变化密切相关。在拉伸过程中，由于晶粒的c轴受到压缩应力，拉伸孪生难以激活，因此需要更高的应力才能启动基面〈a〉滑移。而在压缩过程中，由于晶粒的c轴受到拉伸应力，拉伸孪生更容易被激活，从而降低屈服强度。此外，晶粒的细化在一定程度上抑制了拉伸孪生的形成，但在压缩过程中，这种细化并未完全阻止孪生的激活。

在塑性硬化机制方面，研究发现，拉伸过程中，塑性硬化率在屈服后迅速下降，甚至出现软化现象。这是由于拉伸过程中可用的滑移系统有限，且晶界滑移等机制未能有效释放应力。相比之下，压缩过程中，塑性硬化率在屈服后显著增加，主要由孪生边界形成、织构演变和位错增殖共同驱动。特别是在高应变阶段，孪生的贡献变得尤为显著。通过透射电子显微镜（TEM）分析，可以观察到在压缩过程中，孪生边界形成并逐渐扩展，这些边界有效阻碍了位错的运动，从而增强了塑性硬化能力。

此外，研究还分析了孪生和位错滑移在塑性硬化中的相对贡献。在压缩过程中，孪生的贡献从屈服后开始增加，并在后期阶段达到43%。这一现象表明，虽然孪生的体积分数在后期趋于稳定，但其对塑性硬化的贡献仍在持续增长。这是因为，随着孪生边界的进一步发展，它们对位错运动的阻碍作用增强，从而促进了塑性硬化。这一发现与现有研究一致，即孪生的强化作用主要来自于其边界对位错运动的阻碍，而非孪生本身的生成。

研究结果表明，镁合金的拉伸-压缩不对称性与其织构和变形机制密切相关。在拉伸过程中，由于织构的影响，基面〈a〉滑移系统难以激活，而非基面〈a〉和〈c+a〉滑移系统则成为主要的变形机制。而在压缩过程中，拉伸孪生的激活促进了晶粒取向的变化，从而形成了更强的织构，进一步增强了塑性硬化能力。这种变形机制的差异，使得镁合金在拉伸和压缩过程中表现出不同的机械性能。

研究还发现，晶粒细化虽然有助于抑制拉伸孪生的形成，但在压缩过程中，这种细化并未完全阻止孪生的激活。因此，该合金表现出显著的拉伸-压缩不对称性，这为未来优化镁合金性能提供了新的思路。通过进一步研究晶粒细化与变形机制之间的相互作用，可以更好地理解镁合金在不同加载条件下的性能差异，并为开发高性能镁合金提供理论支持。

总之，本研究通过原位拉伸和压缩测试，结合同步辐射X射线衍射和EBSD等手段，揭示了镁合金在拉伸和压缩过程中不同的变形机制和织构演变。这些发现不仅加深了对镁合金拉伸-压缩不对称性的理解，也为优化其机械性能提供了重要的理论依据。未来的研究可以进一步探索如何通过调整合金成分和加工工艺，减少这种不对称性，从而提升镁合金在结构应用中的适用性。