剪切应变对AZ31B镁合金纵向波纹-平整轧制过程中变形行为和微观结构的影响

《Materials Today Communications》：Effect of shear strain on the deformation behaviour and microstructure of longitudinal corrugated - flat rolling process for AZ31B Mg alloy

镁合金板材通过纵皱轧制+平轧工艺实现多方向剪切应变，有限元分析与实验表明该工艺显著细化晶粒至1.52μm，削弱基底织构并激活非基面滑移系，协调塑性变形，使抗拉强度达326MPa，延伸率18.6%。

　　镁合金因其轻质高强的特性，在航空航天、汽车制造以及电子电气等工业领域中具有广泛的应用前景。然而，镁合金独特的六方晶系结构（HCP）使其在塑性变形过程中面临诸多挑战。例如，在传统的轧制工艺中，由于滑移系统有限，镁合金容易形成强烈的基面织构，这会显著降低其室温下的延展性，从而限制了其在复杂形状成型中的应用潜力。为了解决这一问题，研究者们不断探索新的变形模式，以激活非基面滑移系统、促进变形孪晶的产生，并有效减弱基面织构，从而提升镁合金的成形性能和力学性能。

本研究聚焦于一种新型的轧制工艺——纵向波纹轧制与平面轧制结合（LFR）工艺，旨在通过引入多方向的剪切应变，改善镁合金板材的微观结构和力学性能。通过将有限元分析（FEM）与实验相结合，研究人员系统地探讨了剪切应变对板材变形行为及微观结构演变的影响。研究发现，LFR工艺能够有效引入多方向的剪切应变，改变传统平面轧制下的应变状态和金属流动模式。这种工艺不仅能够促进动态再结晶和孪晶的形成，还能够显著细化晶粒，降低基面织构的强度，提高板材的综合力学性能。

实验结果显示，经过LFR工艺处理的AZ31B镁合金板材在最大剪切应变条件下，其平均晶粒尺寸被细化至1.52微米，基面织构显著减弱，同时出现了大量随机取向的晶粒。这一现象表明，LFR工艺在一定程度上打破了传统轧制过程中晶粒沿基面择优取向的趋势，使得板材的微观结构更加均匀，从而提升了其塑性变形能力。此外，研究还发现，LFR工艺能够有效激活多种非基面滑移系统，特别是金字塔型〈c+a〉滑移系统，这有助于协调镁合金的塑性变形，使其在受力过程中更加均匀地分布应变，从而提高其强度和延展性。

在力学性能方面，经过LFR工艺处理的板材表现出显著的提升。例如，其抗拉强度达到了326兆帕，延伸率达到了18.6%。这些数值表明，LFR工艺不仅能够有效削弱镁合金板材的基面织构，还能够显著改善其力学性能，使其在实际应用中具备更高的强度和更好的延展性。相比之下，传统平面轧制（FR）工艺处理的板材则未表现出类似的剪切应变效应，其力学性能相对较弱。

LFR工艺的核心在于通过调整轧辊的形状，引入多方向的剪切力。这种剪切力不仅来源于板材在纵向波纹轧制过程中的弯曲变形，还来自于与异步轧制类似的摩擦剪切区。这种双重剪切机制使得板材在轧制过程中能够经历更复杂的变形路径，从而实现更精细的晶粒细化和更均匀的织构分布。与传统的异步轧制和等通道转角轧制（ECAR）等工艺相比，LFR工艺在实现剪切应变的同时，能够显著降低对模具精度的依赖，从而提高了工艺的可行性和经济性。

在实际应用中，LFR工艺的引入为镁合金板材的加工提供了新的思路。传统的镁合金加工方法往往受限于模具的设计和制造精度，这在大规模生产中成为了一个技术瓶颈。而LFR工艺通过优化轧辊的形状和调整工艺参数，能够在不依赖复杂模具的情况下实现有效的剪切应变引入。这不仅降低了生产成本，还提高了生产效率，为镁合金在轻量化设计中的广泛应用提供了技术支持。

此外，LFR工艺在变形过程中产生的剪切应变还能够促进多种非基面滑移系统的激活。这些滑移系统的协同作用使得镁合金在塑性变形过程中能够更有效地协调各方向的应变分布，从而避免因局部应力集中而导致的断裂或裂纹。这一特性对于提高镁合金在复杂载荷条件下的性能尤为重要，尤其是在需要承受多方向应力的结构件中，LFR工艺能够提供更稳定的力学性能。

研究还发现，LFR工艺在不同剪切应变水平下的表现具有显著差异。通过设计不同振幅的波纹轧辊，研究人员能够系统地比较剪切应变对板材微观结构和力学性能的影响。实验结果表明，随着剪切应变的增加，板材的晶粒尺寸逐渐减小，基面织构逐渐减弱，而非基面织构成分（如棱面织构和金字塔织构）则相应增强。这一趋势表明，剪切应变的引入能够有效改变镁合金的微观结构，使其在力学性能上实现优化。

在材料科学领域，剪切应变对金属材料微观结构演变的影响一直是研究的热点。对于镁合金而言，由于其HCP结构的特点，剪切应变的引入能够显著改变其变形机制和力学性能。传统的平面轧制工艺虽然能够实现一定的晶粒细化，但由于缺乏剪切应变的引入，其对基面织构的削弱效果有限。而LFR工艺通过引入多方向的剪切应变，不仅能够激活更多的滑移系统，还能够促进变形孪晶的形成，从而显著提升板材的综合性能。

综上所述，LFR工艺为镁合金板材的加工提供了一种全新的解决方案。通过合理设计轧辊形状和工艺参数，该工艺能够在不依赖复杂模具的情况下实现多方向剪切应变的引入，从而有效改善镁合金的微观结构和力学性能。实验结果表明，LFR工艺能够显著细化晶粒、削弱基面织构，并提高板材的强度和延展性，使其在轻量化设计和复杂成形加工中具有更广阔的应用前景。未来的研究将进一步优化LFR工艺的参数，探索其在不同镁合金体系中的适用性，并拓展其在其他金属材料加工中的应用潜力。