异质晶粒ZK60镁合金中非基面滑移活性的应力分配建模及其对强度-塑性协同的调控机制

镁合金作为轻量化材料面临强度-塑性难以兼得的困境。为解决这一问题，研究人员通过构建异质变形诱导(HDI)应力分配模型，结合高分辨率数字图像相关(HR-DIC)技术，揭示了双峰晶粒ZK60合金中非基面滑移的激活机制。研究发现HDI应力通过降低基面〈a〉和棱柱面〈a〉滑移的有效分切应力(RSS)，显著提升锥面〈c+a〉滑移活性，最终实现屈服强度249.7 MPa和断裂延伸率24.6%的优异组合。该研究为设计高性能异构镁合金提供了理论依据。

　　

镁合金因其轻质高强的特性，在航空航天和汽车工业中备受青睐。然而，六方紧密堆积(HCP)结构的镁合金在室温下主要依赖基面〈a〉滑移进行塑性变形，而锥面〈c+a〉等非基面滑移因临界分切应力(CRSS)较高难以激活，导致材料常出现强度与塑性"此消彼长"的困境。传统方法如剧烈塑性变形、孪生诱导塑性和纳米沉淀强化虽有一定效果，但始终无法突破这一瓶颈。2011年卢柯团队在梯度纳米晶铜中发现的异质结构效应，为破解这一难题提供了新思路——通过构建软硬相间的异质结构，利用变形不协调性产生的异质变形诱导(HDI)应力来调控不同滑移系统的活性。

为深入探究HDI应力对不同滑移系统的选择性调控机制，中国的研究团队在《Journal of Magnesium and Alloys》发表了创新性研究。他们开发了一套全新的HDI应力分配框架，该模型能够原位计算晶粒内各数据点的晶体学参数和几何信息，首次实现了从滑移系统层面解析双峰晶粒ZK60镁合金的局部变形模式。研究结合准原位拉伸实验和高分辨率数字图像相关(HR-DIC)技术，通过SSLIP（基于滑移系统的塑性局部识别）开源工具箱，精确识别了不同应变水平下多种位错滑移的激活情况。

关键技术包括：(1)采用不同退火工艺制备粗晶(CG)、双峰晶(BG)和细晶(FG)ZK60样品；(2)通过加载-卸载-再加载(LUR)实验量化HDI应力水平；(3)基于电子背散射衍射(EBSD)和HR-DIC的准原位表征；(4)建立包含几何必需位错(GND)密度、滑移系统级晶粒尺寸等参数的物理模型；(5)采用皮尔逊相关法分析应力分配与微观结构特征的关系。

【双峰晶粒结构与力学响应】
通过不同温度退火制备的BG样品展现出明显的晶粒尺寸异质性，其屈服强度达249.7 MPa，断裂延伸率24.6%，显著优于均质样品。LUR测试表明BG样品的HDI应力占比高达54%，远高于CG样品的40%，这与其优异的强度-塑性组合直接相关。

【晶粒结构演变与微观应变分配】
准原位EBSD和HR-DIC显示，在2%和4%应变下，BG样品中33.2%-50.1%的晶界出现显著异质变形，而CG样品仅15.5%。相邻晶粒G1和G2在4%应变时的平均应变差异达3.15%，证实了强烈的变形不协调性。

【拉伸过程中多滑移活性的晶体学证据】
SSLIP分析发现，BG样品中非基面滑移占比达31.2%，远高于传统SF准则的预测值。特别是在CG-group和FG-group区域，大量SF值仅0.1-0.2的锥面〈c+a〉滑移被激活，表现出典型的"非SF行为"。

【面内HDI应力分布】
模型计算显示，HDI应力对〈a〉组分位错（基面〈a〉和棱柱面〈a〉）的影响显著大于锥面〈c+a〉滑移。正向应力(τ_f
)主要集中在晶界附近，而背应力(τ_b
)可延伸至晶粒内部。在G2晶粒中，尽管3#基面滑移的SF仅0.31，但因正向应力提升有效RSS而被激活；相反，6#滑移系统虽具有较高SF，却因背应力抑制而未被激活。

【讨论与结论】
研究发现：(1)GND密度和滑移系统级晶粒尺寸是影响HDI应力的最关键因素；(2)〈a〉组分位错产生的GND在晶界处堆积，对同类型位错形成最大阻碍；(3)强基面织构使〈a〉滑移与正向应力的分解角ψ更小，导致其应力效应更显著；(4)HDI应力通过降低〈a〉滑移的有效RSS，迫使材料需要更大外应力来启动塑性变形，同时提升锥面〈c+a〉滑移的RSS
/RSS
比值。

该研究不仅建立了异质结构与滑移活性之间的定量关系，更首次揭示了HDI应力通过选择性抑制基面滑移来促进非基面滑移的物理机制。这种"扬长避短"的应力分配策略，为设计具有强度-塑性协同效应的新型镁合金提供了理论指导，对推动镁合金在承力结构件的应用具有重要意义。研究发展的SSLIP-HDI联合分析方法，也为多晶材料的微观力学研究提供了新范式。