高应变速率下挤压铸造AlCrFeCoNip/AZ91D复合材料的变形行为与本构模型研究

为解决镁合金在动态载荷下力学性能预测难题，研究人员通过SHPB（Split Hopkinson Pressure Bar）系统研究了挤压铸造3-vol.% AlCrFeCoNip/AZ91D复合材料在1,000–2,800 s?1高应变速率及298 K–523 K温度下的动态压缩行为，揭示了机械孪生、位错滑移和动态再结晶（DRX）的变形机制，并建立了修正Zerilli–Armstrong（Z–A）和Johnson–Cook（J–C）模型，其中Z–A模型预测精度更高（R=0.946，误差6.91%），为轻量化材料工程应用提供理论支撑。

　　

镁合金因其轻量化、高比强度等特性，在航空航天和汽车工业中备受青睐，但低温下的低刚度、低延展性限制了其应用。为解决这一问题，研究者尝试通过添加增强颗粒改善性能，其中AlCrFeCoNi颗粒因其与AZ91D基体的良好相容性成为理想选择。然而，镁基复合材料在高应变速率（SRs）下的动态力学行为研究仍不充分，且缺乏精准预测其变形行为的本构模型。为此，黑龙江高校基础研究青年人才计划等资助团队在《Materials Chemistry and Physics》发表研究，系统探索了挤压铸造AlCrFeCoNi_p/AZ91D复合材料的动态响应。

研究采用SHPB系统对3-vol.% AlCrFeCoNi_p/AZ91D复合材料进行动态压缩测试，结合微观结构分析，揭示了不同温度下的变形机制：298 K和423 K下以机械孪生和位错滑移为主，523 K则出现动态再结晶（DRX）。基于实验数据，团队建立了修正Z–A和J–C模型，发现Z–A模型预测更优（相关系数0.946 vs. 0.917，绝对误差6.91% vs. 17.4%）。

实验方法
研究使用直径8 mm、厚度4 mm的挤压铸造样品，通过SHPB系统在1,000–2,800 s^?1应变速率和298 K–523 K温度范围内进行动态压缩测试，结合显微组织分析（如EBSD）解析变形机制。

研究结果

1. 动态压缩变形：峰值应力随应变速率升高而显著增加，随温度升高而降低。微观分析表明，低温下位错增殖和孪生主导变形，高温下DRX软化效应显著。
2. 本构模型对比：修正Z–A模型因考虑应变、温度与应变速率的耦合效应，预测精度显著优于J–C模型，尤其在高应变速率条件下。

结论与意义
该研究不仅阐明了AlCrFeCoNi_p/AZ91D复合材料在高应变速率下的变形机制，还提供了高精度预测模型，为轻量化材料在冲击载荷场景（如汽车防撞结构）的设计与应用奠定理论基础。修正Z–A模型的优越性提示，复杂物理机制的融入可显著提升本构模型的工程适用性。