双相Mg-Li合金在柔性成型过程中的取向重排与纹理演化：一种序贯FE-VPSC框架

《Journal of Alloys and Compounds》：Orientation rearrangement and texture evolution of dual-phase Mg–Li alloy during flexible forming: A sequential FE–VPSC framework

　　

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  提出了一种顺序单向有限元（FE）–粘塑性自洽（VPSC）框架，用于研究双相Mg–Li合金在复杂应变路径下的柔性辊弯成形（FRF）过程中的各相变形行为和组织织构演变。
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  利用实验相分数、各相初始织构及Voce参数对VPSC模型进行标定，准确再现了两相的应力–应变响应及取向重分布。
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  该合金表现出显著的应变路径敏感性。辊弯成形后极图密度差异增大揭示了两种相取向重分布的独立性，该框架能够高效预测复杂载荷下的相平均变形与织构演变。

引言

含有六方密排（HCP）α-Mg相和体心立方（BCC）β-Li相的双相Mg–Li合金，因其低密度以及强度和延展性的良好平衡，是有前景的航空航天轻量化结构材料。第一性原理和实验研究已表明，合金成分和热机械加工可以显著改变Mg–Li合金的塑性响应、微观结构特征和力学性能 [1], [2], [3], [4]。然而，双相Mg–Li合金在柔性辊弯成形（FRF）所涉及的复杂应变路径下的各相变形机制和织构演变仍了解不足，限制了对成形响应的可靠预测和控制。

解决这一局限需要区分α-Mg相和β-Li相之间的各相变形模式及应变分配。据报道，两相之间存在近Burgers取向关系，通常表示为(0001)_α || (110)_β和${[11\bar{2}0]}_{\alpha }\parallel {[111]}_{\beta }$ [6]，表明两相织构演变之间存在晶体学关联。在HCP α-Mg相中，基面滑移通常是主要的变形模式，而柱面滑移和锥面滑移也可能根据初始织构和加载条件做出重要贡献。相比之下，BCC β-Li相的变形主要由{110}<111>滑移承担，随着变形的进行，其他BCC滑移族也会被激活 [7]。纳米压痕测量进一步表明，α-Mg相的硬度高于β-Li相 [8]。轧制研究表明，两相的相对变形贡献和织构演变随应变、温度、初始织构和轧制路径而变化 [9], [10]。这些发现表明，双相Mg–Li合金的宏观响应不能仅由任一相的行为完全解释。然而，在复杂的局部加载历史中实验上分辨各相滑移活动及晶体学重取向的演变仍然具有挑战性，这促使了晶体塑性建模方法的应用。

粘塑性自洽（VPSC）模型提供了一个平均场框架，用于将晶体学变形模式与多晶材料的宏观响应和织构演变联系起来 [11]。该模型已被应用于分析初始织构、轧制温度、加载方向和应变路径对Mg和Mg–Li合金滑移活动及织构演变的影响 [6], [7], [12], [13]。结合实验和VPSC的研究表明，基面、柱面和锥面滑移之间的竞争对分裂基面织构的发展和拉伸各向异性的形成有显著影响 [6], [12], [13]。此外，有限元辅助的VPSC计算已被用于描述剪切变形和可变应变路径对镁合金织构演变的影响 [14], [15]。然而，传统VPSC计算代表一个材料点，需要预设的宏观变形历史。它无法独立确定实际成形过程中由辊筒接触、弯曲、回弹和局部变形产生的空间变化加载路径。因此，仅凭拉伸试验或在简单预设加载路径下进行的VPSC模拟，不足以再现柔性辊弯成形过程中发生的局部变形历史。

在柔性辊弯成形过程中，板材依次通过多个成形工位，逐步成形为目标截面。因此，不同区域的材料点经历不同的纵向应变、横向弯曲、厚度方向变形和切变的组合。以往的FRF研究表明，纵向应变在空间上是非均匀的，其演变与尺寸精度和成形缺陷密切相关 [18], [19]。有限元（FE）模拟可以解析该过程中产生的局部应力、应变和速度梯度历史。对于涉及复杂应变路径的其他成形过程，具有单向数据传输的顺序有限元-粘塑性自洽（FE–VPSC）方法表明，将FE提取的可变速度梯度历史赋予VPSC模型，比假设单一单调加载路径能产生更准确的织构预测 [14], [15], [16], [17]。然而，大多数已报道的FE–VPSC应用集中于单相镁合金或其他合金体系。应用FE驱动的双相VPSC模型来解析柔性辊弯成形过程中α-Mg相和β-Li相各自的织构演变和滑移响应仍然有限。

因此，本研究建立了一个顺序单向FE–VPSC框架，用于研究双相Mg–Li合金在柔性辊弯成形过程中的各相变形行为和织构演变。首先，利用不同板材方向的单轴拉伸试验、X射线衍射（XRD）极图（PF）和背散射电子（BSE）图像来表征合金的各向异性力学响应、初始相织构和相分数。这些实验输入被纳入双相VPSC模型中，其中α-Mg相和β-Li相共同参与同一多相自洽计算。本构参数根据实验拉伸响应进行标定。随后，利用Abaqus/Explicit模型重现柔性辊弯成形过程，获取代表性材料点的局部变形信息。然后将相应的共转运动学量和材料取向历史用于重建固定初始RD–TD–ND试样坐标系中的时变速度梯度历史，再将其作为加载路径施加于双相VPSC模型。该框架是顺序单向的，VPSC响应不会反馈至有限元模型。

各章节摘要

材料与FRF试验

所研究的材料为商业购买的LA103Z双相Mg–Li合金板，名义厚度为2 mm，材料处于O态（退火态）。其化学成分列于表1中。本研究中使用的所有实验试样均取自同一批次购买的LA103Z板材，未复用先前研究中的试样。

本工作研究了两种材料状态：(i) 未经处理的O态板材，用于

双相Mg–Li合金的微观结构

本节所表征的材料对应于2.1节中所述的未经处理O态LA103Z Mg–Li合金板，名义厚度为2 mm。每个加载方向测试了三个独立拉伸试样（n=3）。为量化实验重复性，将三次重复试验的真实应力–真实应变曲线线性插值到共同的真实应变量网格上，然后计算每个

VPSC参数标定结果与模型评估

由于实验中的RD、DD和TD方向拉伸响应被用作标定目标，图9、图10中呈现的比较被视为参数标定结果而非独立验证。在修订后的分析中，每个加载方向的实验参考值为三次独立拉伸试验获得的平均真实应力–真实应变曲线，阴影区域表示±1个样本标准差。单相和双相VPSC

VPSC在单轴拉伸下的预测验证

对α-Mg相的VPSC预测结果进行分析并展示于图17中。实验XRD结果表明，(0002)极图的最大强度为1.7 mrd，中心处（ND方向）强度相对较低。该织构呈现出明显的双峰特征，向TD方向分裂，表明晶粒的c轴不平行于ND，而是向TD方向倾斜。强度等高线显示(0002)基面极的极角相对于

结论

本研究建立了一个顺序单向FE–VPSC框架，用于研究双相Mg–Li合金在柔性辊弯成形过程中复杂应变路径下的各相变形和织构演变。将Abaqus/Explicit分析获得的共转运动学量与ODB材料取向历史相结合，在固定初始RD–TD–ND试样坐标系中重建了完整空间速度梯度历史。该时变加载历史被

未引用参考文献

[5]

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（编号：52475366）、上海市薄壁结构数字化制造重点实验室开放基金项目（编号：202503）以及国家重点研发计划（项目编号：2025YFF0513602）对本研究的资助与支持。

Wang Yun|Tao Tao|Zhang Zexiong|Liu Chunmei|Guo Xunzhong