铸态AZ91镁合金温度依赖性单轴棘齿效应及其微观机制的研究

《Journal of Alloys and Compounds》：Investigation on the temperature-dependent uniaxial ratchetting and its micro-mechanisms of cast AZ91 magnesium alloy

镁合金循环变形的温度依赖性及微观机制研究。摘要：针对铸态AZ91镁合金在室温至473K温度范围内的循环变形行为及微观机制展开研究。结果表明，低温（RT、373K）下合金呈现对称的拉压塑性变形，由位错滑移与孪生/逆孪生协同主导，经特定循环次数后进入准稳定状态；高温（423K、473K）时非基面滑移充分激活，变形机制以位错滑移为主，循环变形显著且未达准稳定状态。研究结合原位和 ex-situsize 散衍射（EBSD）揭示了温度对循环变形行为及微观机制的影响规律。

　　镁合金因其轻质、高强度和良好的阻尼性能，在航空、交通运输、生物医学和电子工业等领域得到了广泛应用。在实际应用中，镁合金部件常常经历周期性载荷作用，并且在不同的温度条件下运行。因此，研究镁合金在不同温度下的循环变形行为及其微观机制对于评估其在服役条件下的性能至关重要。本文聚焦于铸造AZ91镁合金的温度依赖性循环塑性变形，尤其是其轴向循环应变累积（ratchetting）现象，结合宏观与微观实验手段，探讨其变形机制。

研究发现，铸造AZ91镁合金在室温（RT）和373 K时表现出一种特殊的循环行为。在这些温度条件下，前几个迟滞回线的上半部分与初始拉伸段重叠或相交，这种现象源于位错滑移和孪生/去孪生机制之间的相互作用。位错滑移和孪生机制在镁合金的塑性变形中起着关键作用，尤其是在拉伸和压缩变形过程中。通过离位（ex-situ）电子背散射衍射（EBSD）观察，证实了这两种机制在控制合金塑性变形方面的对称性。这意味着在这些温度下，拉伸和压缩变形具有相似的微观机制，从而导致循环变形行为的对称性。

然而，在423 K和473 K的较高温度条件下，铸造AZ91镁合金表现出更为显著的循环应变累积现象，且没有出现准稳态（quasi-shakedown）行为。在这种情况下，峰应变和谷应变的演化速率几乎相同，这表明在高温环境下，合金的塑性变形主要由非基面滑移系统主导，而非基面滑移系统在高温下更容易被激活。此外，非基面滑移系统的临界分辨剪切应力（CRSS）在高温下显著降低，使得其在循环载荷下更容易发生。相比之下，基面滑移和孪生机制对温度变化的敏感性较低，因此在高温下对变形的贡献相对较小。

在温度升高的情况下，循环应变累积的强度和速率明显增加，同时平均应力和应力速率对循环应变累积的影响也变得更加显著。这意味着，在高温环境下，合金的循环性能受到更复杂的因素影响，包括材料的微观结构演变、位错运动和孪生机制的相互作用。研究还发现，随着温度的升高，非基面滑移系统逐渐成为主要的塑性变形机制，而基面滑移和孪生机制则退居次要地位。这种变化导致了合金在高温下的循环应变累积行为与室温条件下的显著差异。

铸造镁合金与轧制镁合金在微观结构上存在本质区别。铸造镁合金由于其随机的晶粒取向，缺乏强烈的基面织构，这使得其在室温下表现出拉伸与压缩对称的变形行为。相比之下，轧制镁合金通常具有强烈的基面织构，其晶粒的c轴方向多与轧制方向垂直，导致在室温下其拉伸和压缩变形具有显著的不对称性。此外，由于铸造镁合金的晶粒取向随机，其在循环载荷下的变形机制更为复杂，难以通过单一的变形机制进行解释。

为了更深入地理解铸造AZ91镁合金在不同温度下的循环变形行为，本文采用了离位和原位EBSD技术，以及X射线衍射（XRD）分析。这些微观表征手段能够提供关于晶粒取向、孪生变体和滑移系统的详细信息，从而揭示循环应变累积的微观机制。通过离位EBSD观察，研究发现，当温度升高时，非基面滑移系统被激活，而基面滑移和孪生机制的贡献则减少。这种变化不仅影响了合金的塑性变形方式，还改变了其在循环载荷下的应变累积行为。

原位EBSD技术的应用为研究循环变形过程中的微观结构演变提供了新的视角。通过实时监测晶粒取向的变化，可以更准确地追踪位错滑移和孪生机制的动态行为。例如，在室温和373 K的条件下，合金的循环应变累积行为受到位错滑移和孪生机制的共同影响，而随着温度的升高，非基面滑移系统的主导作用逐渐增强，导致循环应变累积行为的显著变化。此外，原位EBSD技术还能够揭示不同孪生变体之间的相互作用，这些相互作用对循环应变累积的速率和方向产生了重要影响。

在工业应用中，镁合金的加工方式对其性能具有重要影响。铸造镁合金因其加工时间短、成本低以及易于制造复杂形状而被广泛采用。然而，由于其随机的晶粒取向，铸造镁合金在循环载荷下的变形行为与轧制镁合金存在明显差异。因此，对铸造镁合金循环变形机制的研究不仅有助于理解其性能变化，还为优化其加工工艺和应用设计提供了理论依据。现有的研究多集中于室温条件下的循环变形行为，而对高温条件下循环应变累积的研究相对较少。本文通过系统研究铸造AZ91镁合金在不同温度下的循环变形行为，填补了这一研究空白。

在实验方法上，本文采用了单轴单调和循环加载测试，结合离位和原位EBSD观察，以及XRD分析，全面探讨了铸造AZ91镁合金在不同温度下的循环变形机制。实验结果表明，随着温度的升高，非基面滑移系统的激活程度增加，导致循环应变累积行为的变化。同时，平均应力和应力速率对循环应变累积的影响也更加显著。这表明，在高温环境下，合金的循环性能不仅受到变形机制的影响，还受到外部载荷条件的调控。

此外，研究还发现，在室温和373 K条件下，铸造AZ91镁合金的循环应变累积行为具有一定的对称性，而在423 K和473 K条件下，这种对称性被打破，循环应变累积变得更加显著。这一现象可能与非基面滑移系统的激活有关，因为这些系统在高温下更容易发生，从而改变了合金的塑性变形方式。同时，温度升高还可能影响合金的内部应力分布和晶界滑移行为，进一步加剧循环应变累积。

在研究过程中，还发现了一些关键的微观机制。例如，在室温条件下，铸造AZ91镁合金的循环应变累积行为受到位错滑移和孪生机制的共同影响，而在高温条件下，非基面滑移系统成为主导因素。这种变化不仅影响了合金的塑性变形方式，还改变了其在循环载荷下的应变累积行为。此外，原位EBSD技术的应用使得研究人员能够实时观察晶粒取向的变化，从而更准确地分析位错滑移和孪生机制的相互作用。

综上所述，本文通过系统的实验研究，揭示了铸造AZ91镁合金在不同温度下的循环变形行为及其微观机制。研究发现，温度对合金的循环性能具有显著影响，尤其是在高温条件下，非基面滑移系统的激活导致了更为显著的循环应变累积行为。这些发现不仅加深了对镁合金循环变形机制的理解，还为优化其在高温环境下的应用性能提供了重要的理论依据。未来的研究可以进一步探讨不同温度条件下的微观结构演变及其对循环性能的影响，以期为镁合金在高温环境下的工程应用提供更全面的支持。